Clapet à anches

Section d'un clapet Mota-10.

Le clapet à anches ou clapet lamellaire est un type de clapet élastique qui canalise l'écoulement des fluides en un jet unique. L'ouverture et la fermeture sont dictés par la différence de pression entre les deux faces. Les versions actuelles consistent souvent en une lamelle flexible de métal ou une bavette en matériau composite (fibre de verre ou de carbone). On utilise parfois un clapet lamellaire dans certains compresseurs alternatifs, ainsi que pour les soufflets d'instruments de musique.

Choix et conceptionModifier

Le choix d'un clapet souple dépend du gradient de pression et du débit massique que l'on souhaite assurer[1]. Le gradient de pression détermine l'ouverture du clapet ; l'ouverture et la géométrie d'ajutage permettent (en intégrant un coefficient de perte de charge) de calculer le débit massique. Pour les applications à grande vitesse (compresseurs et moteurs) il faut aussi prendre en compte la réponse dynamique. Une approche simple consiste à estimer la première fréquence propre et à la comparer à la fréquence d'excitation, mais on se tourne généralement vers des simulations où, au lieu d'un modèle intégré fluide-structure, on découple fréquemment la déformation des lamelles de l'écoulement gazeux[2] : le clapet élastique est modélisé par blocs fonctionnels ou par éléments finis, et le débit fluide est calculé en introduisant des coefficients de perte de charge déterminés sur maquette pour différentes ouvertures du clapet, ou par modélisation séparée de l'écoulement.

ApplicationsModifier

Un élément traditionnel des pompesModifier

De par leur fonctionnement analogique, les clapets souples, autrefois en cuir ou en laiton, sont le plus ancien type de bouchure pour les liquides et gaz. Ils sont utilisés depuis des milliers d'années dans les pompes et depuis des siècles dans les soufflets de forges et certains instruments de musique tels les orgues et accordéons. En biologie, les ventricules cardiaques ont un fonctionnement similaire.

Dans les moteurs deux tempsModifier

 
Deux spécimens de lames d'un clapet Malossi en fibre de carbone.

On utilise couramment des clapets lamellaires dans les moteur à deux temps de compétition pour contrôler le débit du mélange air-carburant vers le cylindre[3]. À mesure que le piston s'avance dans le cylindre, il se crée une dépression dans le carter sous le piston. La différence de pression ouvre le clapet et le mélange air-carburant se déverse dans le carter. Lorsque le piston redescend, il augmente la pression dans le carter, ferme le clapet et l'injection du mélange, comprime enfin le mélange avant son transfert final vers la chambre de combustion[4]. L'un des plus gros moteurs utilisant ce type de valve est un moteur monocylindre à deux temps de 500 cc produit par le fabricant suédois Husqvarna : les clapets lamellaires contrôlent la prise d'air ainsi que l'admission du mélange dans le carter.

On préfère les matériaux composites dans les moteurs de course, surtout en karting, car on peut adapter la raideur des lamelles et ils sont suffisamment robustes[5]. Les chocs répétés à grande vitesse affectent cependant tous les clapets de cette nature, les lamelles métalliques étant, par exemple, sujettes à la fatigue. Les clapets lamellaires présentent également une certaine inertie qui les rend moins précis que des vannes papillon. Un moteur à clapet métallique peut tourner mieux qu'un moteur à valve souple à bas régime, mais ce dernier conserve un bon rendement sur plus grande plage. Les moteurs haut de gamme tirent parti de cette propriété en insérant une valve à lamelles plus petite (donc plus réactive) dans l'axe d'une autre valve souple, de plus grand diamètre, qui prendra le relai lorsqu'il faudra un débit supérieur ; néanmoins, la technologie privilégie les clapets lamellaires étant donné leur simplicité, leur faible coût et leur poids.

Moteurs rotatifs type WankelModifier

Un constructeur japonais, Yanmar Diesel, a été pionnier dans l'utilisation des clapets lamellaires pour le contrôle du débit d'admission de ses moteurs Wankel : il a, par ce moyen, augmenté le couple moteur et amélioré le rendement à faible régime ou en charge partielle. Toyota, ayant constaté l'intérêt d'injecter de l'air frais dans le pot d'échappement des moteurs Wankel, eut aussi recours à des clapets lamellaires pour des prototypes à charge stratifiée, sans toutefois le systématiser pour la production de série de ses moteurs à piston rotatif Wankel. Selon David W. Garside, responsable de la série Norton de motos à Wankel, les résultats obtenus par d'autres fabricants de RCE montraient que les clapets lamellaires, s'ils améliorent effectivement le rendement à bas régime et en charge, limitent le couple à haut régime[6], inconvénient sérieux les motos.

Dans les moteurs à réactionModifier

On a également eu recours aux clapets lamellaires dans les pulsoréacteurs, gourmands en carburant mais faciles à fabriquer, tels le moteur Argus As 014 du missile V-1 allemand[7]. Les clapets, à l'avant du moteur cylindrique, s'ouvre par dépression dans la chambre de combustion à la mise en résonance de la colonne d'air du moteur ; le carburant gicle à l'intérieur de la chambre de combustion et s'enflamme sous l’effet de la chaleur des gaz brûlés au cycle précédent. Une fois que les gaz se détendent et sont éjectés du réacteur, il se produit de nouveau une dépression interne et le clapet lamellaire laisse rentrer l'air, amorçant un nouveau cycle moteur. La surpression dynamique liée à la traînée participe partiellement à l'échappement des gaz et au renouvellement de l'air dans la chambre de combustion, et améliore le rendement du moteur aux vitesses élevées.

Voir égalementModifier

NotesModifier

  1. Gordon P. Blair, The Basic Design of Two Stroke Engines, Society of Automotive Engineers Inc., (ISBN 1-56091-008-9)
  2. R. Baudille, M. E. Biancolini et E. Mottola, « Nonlinear models of reed valve dynamics », International Journal of Vehicle Systems Modelling and Testing, vol. 4, no 3,‎ , p. 150–184 (DOI 10.1504/IJVSMT.2009.029387)
  3. Cf. Saeed Farokhi, Aircraft Propulsion, Chichester, John Wiley & Sons, (ISBN 9781118806777), « 5.General Aviation and Unhabitated Aerial Vehicle Propulsion System », p. 290
  4. D'après Motorcycle Mechanics Institute, The Complete Guide to Motorcycle Mechanics, Prentice-Hall, Inc., (ISBN 0-13-160549-6), p. 79-80
  5. Cf. Jeff Grist Memo Gidley, Karting – Everything you need to know[lieu=, St. Paul, Motorbooks / MBI Publ. Co., (ISBN 9780760323458), « 3. Engine formats », p. 49
  6. D'après « Wankel Rotary Combustion Engines », sur Engineers World, (consulté le 16 mai 2020)
  7. Cf. Ahmed F. El-Sayed, Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engines, CRC Press, (réimpr. 2) (ISBN 978-1466595163), « Pulsejet and ramjet engines », p. 97.