Le constant accroissement de l'intérêt mondial pour l'usage du GAZ NATUREL COMPRIMÉ (GNC) et/ou GAZ LIQUÉFIÉ comme combustibles de la GAZOLÉINE et GAS-OIL ou FUEL-OIL est causé par:
1)Le besoin de diversifier les sources d'approvisionnement permettant à plusieurs pays l'usage de combustibles comme le GAZ.
2)Réduire les émissions polluantes avec des combustibles "plus propres".
3)Réduire les coûts des combustibles.
4)Augmenter l'efficacité des moteurs en permettant moins de consommation avec plus de puissance.
5)Prolonger la vie utile des moteurs.

Cette tendance, mondialement généralisée, a provoqué chez BASSO S.A. il y a déjà quelques années, un programme de recherche et développement pour offrir des soupapes aptes pour l'usage avec du GAZ NATUREL COMPRIMÉ ou LIQUÉFIÉ. Cela s'est concretisé en 1991 avec le lancement en Argentine de sa ligne "EXTRA GAZ" pour les moteurs locaux, qui s' est ajoutée aux soupapes d'exportation pour des moteurs FORD, GM, DODGE et d'autres, changés en moteurs à combustibles gazeux dans plusieurs pays du monde.

Quelles sont les caractéristiques du GAZ comme combustible, qui obligent à la fabrication de soupapes, des sièges de culasse et d'autres éléments spéciaux?

CARACTÉRISTIQUES:

Le GAZ NATUREL est un mélange d'hydrocarbures gazeux , 85 à 90 % de Metano et d' autres tels que Propane, Butane, Dioxyde de Carbone, Azote, etc.
Il s'obtient des gisements pétroliers ou bien dans des formations contenant seulement du gaz. On doit le comprimer à de hautes pressions (200 Kgs/cm²) pour pouvoir accumuler des quantités significatives dans des espaces réduits.

Le GAZ LIQUÉFIÉ de pétrole (LIQUIFIED PETROLEUM GAS o L.P.G.) est un mélange de deux hydrocarbures gazeux, Propane et Butane, s'obtenant comme un sous-produit des processus des raffineries de pétrole ou bien par séparation (à très basses températures ) du GAZ NATUREL. Il peut être conservé à l'état liquide à une température ambiante et à des pressions plus ou moins basses.

Les caractéristiques affectant ou influenciant le dessin de la chambre de combustion, soupape et guides, sont les suivantes:

1)La première caractéristique importante c'est qu' il ne contient pas de plomb, c'est à dire qu'il s'agit d'un combustible "LEAD FREE"ou "LIBRE DE PLOMB".

Dans les gazoléines conventionnelles "AVEC DU PLOMB" on ajoute un composé appelé tetraethyle de plomb, pour pouvoir améliorer leurs conditions antidétonantes, c'est à dire pour pouvoir en faire usage dans des moteurs plus "comprimés" sans risques de détonation, en obtenant plus puissance avec moins consommation.
Le plomb ajouté à la gazoléine se dépôse sur les sièges, dans la culasse de cylindres, en les protégeant de l' usure puisqu' il fonctionne comme un "LUBRIFIANT SOLIDE" s' interposant entre la soupape et son siège. En ce qui concerne le GAZ, cette couche protectrice n'existe pas et cela peut provoquer une usure par abrasion au fur et à mesure que la soupape tourne pendant les successives ouvertures et fermetures. Si le siège de culasse n' est pas du type durci perd du matériel, ce qui s' appelle "ENFONCEMENT" du siège, jusqu' à produire une défaillance grave dans l'ensemble siège- soupape, soit par brûlement, rupture par fatigue, perte de scellage, etc.

Généralement ce mécanisme de défaillance se produit dans les soupapes d' échappement puisqu' elles doivent travailler dans l'ambiance corrosive, avec de très hautes températures (jusqu'`a 870°C) des gaz
brûlés.
Rappelons-nous qu' elles supportent en plus les énormes efforts de la pression de combustion et de la fermeture violente contre leur siège plusieurs fois par seconde (à une vitesse de moteur de 3000 R.P.M., une soupape ouvre et ferme 25 fois par seconde).
De la même manière, la présence du plomb aide à lubrifier les guides de soupapes en s' interposant comme lubrifiants solides entre la tige et le guide.

2)Une autre caractéristique très importante n'étant pas correctement valorée dans les premiers développements de moteurs "changés" en moteurs à GAZ, c'est que celui-ci brûle plus lentement et avec plus de difficultés pour commencer la combustion que les combustibles liquides conventionnels.
En même temps, la came d' échappement du moteur a été dessinée pour que la soupape correspondante s'appuie pendant un certain temps en évacuant ainsi la chaleur de l'explosion antérieure.
Quand elle s' ouvre de nouveau, les gaz brûlés de l' intérieur doivent déjà avoir baissé suffisament la température de manière de ne pas dépasser les limites acceptables pour le matériel.
Etant donné que le gaz brûle plus lentement que le naphte, quand la soupape d' échappement ouvre dans un moteur changé à GNC "trouve" des gaz qui n' ont pas encore refroidis suffisament et commence à se rechauffer .
D' une autre part, puisqu' il entre déjà comme gaz dans la chambre de combustion, au lieu de gouttelettes de combustible liquide tels que les gazoléines, il n' y a pas d 'absortion de chaleur se produisant avec la vaporisation de ces gouttelettes suspendues dans le courant d'air qui entre au cylindre.
Ces deux aspects ont fait croire à plusieurs usagers de Gaz Naturel que sa combustion est plus "CHAUDE" que celle de la gazoléine. Bien que ce soit une erreur de concept, la conséquence c'est que la température de travail de la soupape d' échappement est plus grande et que l'on arrive à dépasser la capacité de scellage de la soupape et son siège à cause d' une défaillance de matériel de la tête ou dans la culasse. Cela peut avoir son origine dans un ou plusieurs de ces facteurs:

"Manque de dureté en chaud.
"Résistance à la corrosion inappropriée.
"Résistance insuffisante à l'usure.

Pour résoudre cette situation, il est nécessaire une amélioration du matériel de la soupape ou un recouvrement de la dureté sur la surface du siège, au moyen d'alliages spéciaux appliqués par des processus de soudure par plasma de dernière génération. Celui-ci c'est le cas des soupapes fabriquées par BASSO S.A. avec apport "STELLITE"ou similaires.
Le principal avantage de ces matériaux pour la surface du siège de la soupape, c'est la conservation de la dureté en chaud et une excellente résistance à la corrosion et à l'usure, grâce à la combinaison de
Cobalt, Nickel, Fer et Chrome dans son alliage.
Dans le cas de grands moteurs, pour des camions du type "Heavy Duty" (de service lourd) on conseille aussi la modification de l'angle de siège de la soupape d' échappement en le diminuant de 45° à 30° (ou jusqu' à 15° dans des soupapes en conditions d' usage plus sévères).
Qu'est-ce qu' on obtient avec cette méthode? Dans l' image de la page suivante on voit un schéma des forces qui agissent sur la soupape et son siège, dûes à l'action du ressort, aux forces d'inertie produit du mouvement alternatif de la soupape et aux résultants de la pression de combustion. S' il est vrai que toutes ces forces n'agissent pas simultanément, nous pouvons dire que sa résultante F agit selon l'axe de la soupape et qu'elle s' équilibre avec les réactions qui agissent dans le siège de la culasse de cylindres (égales et oposées à f30 ou f45 respectivement).
Du parallélogramme de forces on voit que pour une même résultante F, les composantes f30 sont plus petites que celles f45, c'est à dire qu' avec le seul changement d' angle on réduit les charges sur le siège, étant donc inférieure l'usure sur sa surface.
Des angles plus petits de 15° ne sont pas recommandés parce que la capacité "auto-nettoyant" du siège disparaît, c'est à dire que n' importe quelle particule de charbon, des résidus de combustion, etc. peuvent rester attrapés entre la soupape et son siège en ne glissant pas vers l'extérieur comme des "pentes" (angle de siège) majeures, avec le risque de "brûlement"de la soupape et/ou le siège.
Cette solution est possible seulement avec un combustible "propre"comme le gaz, n' étant pas recommandée pour n' importe quel type de combustible liquide, diesel ou naphte, à cause de la présence d' impuretés, particules et résidus "après-combustion".

3)La troisième caractéristique remarquable du Gaz comme combustible, c'est son pouvoir
antidétonant élevé équivalent à une gazoléine de 120/130 octanes (sans besoin de tetraethyle de plomb). Cela permettrait augmenter la relation de compression des moteurs jusqu' à des valeurs de 11:1 ou 12:1 en obtenant plus de puissance avec moins de consommation.
Cependant, dans la plupart des moteurs "changés" en moteurs à gaz, on n' augmente pas la relation de compression afin de conserver l' usage dualiste (gazoléine ou gaz) selon les possibilités
d'approvisionnement. Dans quelques cas cet opération "dualiste" a provoqué des défaillances de soupapes puisqu' on opère avec une mise au point de l'allumage qui n'est pas appropriée pour le gaz, c'est à dire qu' elle est convenable pour la gazoléine conventionnelle mais trop "retardée" pour le gaz. A cause de la basse vitesse de combustion du gaz, il a besoin d' une avance à l'allumage supérieure à celle de la la gazoléine, quelques 10 et 12 degrés de plus d' avance initiale.

4)Une caractéristique qui produit généralement des problèmes d' usure dans les guides de soupapes, c'est la capacité lubrifiante inférieure puisqu'il s'agit d' un gaz. Les essais réalisés par BASSO S.A. dans des véhicules qui parcourent milles de kilomètres mensuels dans les plus sévères conditions d' opération, démontrent le besoin du chromage dur des tiges qui réduit la friction avec le guide, augmente la durée de la tige et facilite la circulation de l'huile lubrifiant entre la tige et le guide.

RECOMMANDATIONS:

A manière de corollaire de ce bref "guide du gaz comme combustible" nous donnerons ensuite une série de recommendations utiles pour la conversion de moteurs à essence en moteurs à Gaz:

A) Pour améliorer la transférence de chaleur des soupapes à la culasse de cylindres, il est utile de faire les sièges d' échappement plus larges (de 1/16" à 3/32" c'est à dire 1,60 à 2,40 mm.).

B) Ne pas usiner les sièges de la culasse de cylindres avec interférence d' angles entre soupape et sièges, préparez-les avec les mêmes angles.

C) Conserver la concentricité entre guide et siège au-dessous de 0,025 mm.

D) Approfondir d'avantage le siège dans la culasse de cylindres en mettant les soupapes un peu plus "enfoncées"que d' habitude: les bords des soupapes fermées ne doivent pas se montrer dans la chambre de combustion.

E) Employer des sièges durcis, avec de bons contenus de chrome et nickel dans leur composition.
Quelques culasses en fonte de fer ont généralement les sièges trempés par induction; cette solution n' est pas acceptable dans des applications de service sévère ou "HEAVY DUTY", tout simplement ils ne supporteront pas l' effort et ils s' enfonceront.

F) Conserver les jeux entre soupapes et guides dans les valeurs originales, sauf dans les cas où des soupapes trouées (remplies avec du sodium) seraient remplacées par des soupapes solides; là, il sera nécessaire d' augmenter les jeux pour compenser la majeure dilatation de la soupape solide.

G) Ne pas rectifier les soupapes usées parce que leur largeur de marge diminue. Employer seulement les meilleures soupapes disponibles recouvertes de "STELLITE", ayant des tiges chromées avec les meilleurs aciers inoxidables, comme celles fabriquées pour cet usage par BASSO S.A.

H) Employer un correcteur d' avance d' allumage qui avance automatiquement 10 à 12 degrés le sault d' étincelle quand on change à Gaz.

Rappelez-vous que dans toute conversion de moteurs pour l'usage à GAZ naturel, le fait d' installer des soupapes qui ne sont pas appropriées vous causera de problèmes aussi bien qu'au rectificateur qui devra réaliser le travail deux fois par le prix d' un seul.

Nous attendons que ce guide vous soit utile et vous demandons de nous aider à faire connaître son contenu; une meilleure connaissance des produits fabriqués par BASSO S.A. vous permettra d' offrir un meilleur service.



DES SOUPAPES POUR GNC

1) CARACTÉRISTIQUES DU GAZ COMME COMBUSTIBLE.

"Manque de plomb
"Vitesse de combustion très basse.
"Haut pouvoir antidétonant
"Corrosivité par des composés sulfurés
"Lubrification faible

2)PROBLEMES POUVANT SE PRÉSENTER DANS LES CULASSES DE CYLINDRES ET
SOUPAPES.

"Enfoncement de sièges de culasse.
"Usure de guides tiges de soupapes.
"Brûlement de sièges de soupapes.
"Fatigue de surfaces de sièges.
"Corrosion de la surface sous-tête à cause des sulfates.

3)DES FACTEURS AGGRAVANTS

"Opération de haute vitesse et de haute charge pendant des périodes prolongées.
"Avances à l'allumage appropriées pour naphte, insuffisantes pour gaz.
"Equipes de gaz avec une défficiente régulation A/C. Mélange pauvre.
"Mauvaise transmission de chaleur de siège à culasse.

4)EXIGEANCES DU SYSTÈME CULASSE / SOUPAPE

"Des sièges de dureté appropriée dans la culasse, avec une bonne surface de contact sur celle-ci.
"Des matériels base de la soupape "Premium".
"Recouvrements durs dans les sièges de soupapes d' échappement (stellite).
"Processus d 'application du recouvrement par plasma de dernière génération.




SOUPAPES POUR GNC DE BASSO S.A.

"MATÉRIELS BASE D' ADMISSION ET D' ÉCHAPPEMENT.

"MATÉRIELS DE RECOUVREMENT DE SIÈGES

"TIGES CHROMÉES

"ESSAIS RÉALISÉS AUX DYNAMOMÈTRES T BEAUCOUP DE KILOMÈTRES DANS DES SERVICES SÉVÈRES DE FLOTTE.

"CONNAISSANCES D' INGÉNIÉRIE ET DE MANUFACTURE AU PREMIER NIVEAU
MONDIAL.


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Préparé par l' Ingénieur Fernando Alberto Curello, de MOTOR PARTS INTERNATIONAL, Entreprise de Recherche et Développements Spéciaux du groupe BASSO S.A. d' ARGENTINE.