Soupape de décharge d'explosion de carter expliquée

Qu'est-ce qu'une soupape de décharge d'explosion de carter ?

Une soupape de décharge d'explosion de carter (CERV) est un dispositif de sécurité installé sur les moteurs à combustion interne de taille moyenne à grande. En général, une CERV est installée pour chaque cylindre d'un moteur, mais cela dépend de la taille du moteur. Une CERV a trois fonctions principales :

• Relâcher la pression en cas de surpression du carter.
• Arrêter les flammes pour éviter qu'elles ne soient expulsées du carter.
• Rétablir l'étanchéité du carter après un événement de surpression, empêchant l'air d'entrer dans le carter. Le rétablissement de l'étanchéité du carter doit avoir lieu après une explosion du carter (surtension de pression due à la combustion) sinon l'air pourrait réintégrer le carter et provoquer une explosion secondaire.

Bon à savoir - une soupape de décharge d'explosion de carter est également connue sous le nom de 'porte d'explosion de carter' ou 'porte de décharge de carter', mais tous ces termes signifient la même chose.

Soupapes de décharge d'explosion de carter pour moteur diesel marin à deux temps

Qu'est-ce qu'une explosion de carter ?

Une explosion de carter est un événement de combustion soudain et violent qui se produit à l'intérieur du carter d'un moteur à combustion interne. La combustion nécessite du carburant, de l'oxygène et de la chaleur, tous présents dans un carter sous certaines conditions.

• L'huile de lubrification est utilisée en grande quantité dans le carter, elle agit comme carburant.
• L'oxygène est présent dans l'air, qui se trouve toujours dans le carter.
• La chaleur peut être fournie par plusieurs sources, telles que les gaz d'échappement ou la friction (frottement des composants du moteur, etc.).

Les explosions de carter sont un danger rare mais sérieux qui peut survenir dans tous les moteurs à combustion interne, en particulier dans les moteurs plus anciens, mal entretenus ou utilisés dans des conditions extrêmes. Les conséquences d'une explosion de carter peuvent être catastrophiques, entraînant potentiellement des dommages matériels importants, une interruption des activités et/ou des pertes humaines.

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Soupape de décharge d'explosion de carter montée (CERV)

Quelles sont les causes d'une explosion de carter ?

Plusieurs scénarios peuvent conduire à une explosion de carter. Ceux-ci incluent :

• Segments de piston usés ou endommagés – empêchant une étanchéité adéquate du piston à l'intérieur de la chemise de cylindre. Cela pourrait permettre au mélange air-carburant à l'intérieur du cylindre de passer de l'espace de combustion au carter ; le mélange air-carburant pourrait alors se combuster s'il rencontre un point chaud dans le carter. Sur les grands moteurs diesel marins à deux temps, les gaz doivent fuir par les segments de piston et la boîte à bourrage avant d'entrer dans le carter.
• Point chaud dans le carter – provoquant la vaporisation de l'huile de lubrification dans le carter (passage de l'état liquide à l'état vapeur) ; l'huile vaporisée se condense ensuite dans une zone plus froide du carter, ne laissant qu'un brouillard d'huile blanche fine. Le point chaud susmentionné peut alors servir de source d'allumage pour le brouillard d'huile (une fois que le nuage de brouillard d'huile est suffisamment grand). Les points chauds dans un carter de moteur sont souvent causés par des roulements de vilebrequin usés en raison d'un manque de lubrification ou d'irrégularités de surface des roulements. Les grands moteurs diesel marins à deux temps à faible vitesse sont équipés de détecteurs de brouillard d'huile pour détecter la présence de brouillard d'huile dans le carter. Si un brouillard d'huile est détecté dans le carter, le détecteur de brouillard d'huile déclenche une alarme dans la salle de contrôle du moteur.
• Fuite par soufflage dans le carter – la fuite par soufflage se produit lorsque les gaz de combustion fuient par les segments de piston et la boîte à bourrage (si installée), puis dans le carter. Cela peut se produire lorsque les segments de piston sont usés, empêchant une étanchéité correcte du cylindre dans la chemise de cylindre. Cela peut également se produire si les parois de la chemise de cylindre sont endommagées, ce qui empêche également une étanchéité correcte. La fuite par soufflage se produit généralement à des vitesses de moteur élevées ou lorsque le moteur est fortement chargé. 

Bon à savoir - une 'explosion de carter' est parfois appelée 'explosion de brouillard d'huile'.

Bon à savoir - l'huile de lubrification doit être chauffée à environ 200⁰C avant de se vaporiser, et elle nécessite un point chaud d'environ 850⁰C pour s'enflammer. Les gouttelettes de brouillard d'huile ont une taille de moins de 10 microns. Bon à savoir - une explosion secondaire de carter est généralement d'une ampleur bien plus grande qu'une explosion primaire de carter. Après une explosion primaire, un vide dans le carter existe, et cela attirerait une quantité significative d'air si aucune CERV n'est installée.

Quels sont les principaux composants d'une CERV ?

Une soupape de décharge d'explosion de carter est composée de relativement peu de composants, notamment :

• Corps de soupape – le boîtier principal de la soupape. Il est fabriqué dans un matériau solide et durable, tel que l'aluminium ou l'acier. Le corps de la soupape est conçu pour résister aux hautes pressions pouvant survenir lors d'une explosion.
• Plateau de soupape (disque de soupape) – une fine pièce métallique circulaire située à l'intérieur du corps de la soupape. Le plateau de soupape est relié à un ressort qui maintient la soupape fermée dans des conditions de fonctionnement normales. Lorsque la pression dans le carter augmente, le ressort est comprimé, le plateau de soupape s'éloigne du couvercle de la soupape, ouvrant ainsi la soupape.
• Siège de soupape – le plateau de soupape presse contre le siège de soupape pour fermer la soupape.
• Arrête-flammes – l'arrête-flammes est un dispositif qui empêche les flammes de s'échapper du carter. Il est généralement fabriqué sous forme de grille à mailles fines ou d'une série de plaques perforées. Les flammes sont refroidies lorsqu'elles passent à travers l'arrête-flammes, ce qui les éteint avant qu'elles n'atteignent l'extérieur du moteur. L'arrête-flammes est parfois saturé d'huile en raison de son emplacement dans le carter (dépendant de la conception de la CERV) ; cela ajoute un effet de refroidissement supplémentaire des flammes.
• Joint – un joint ou un joint torique situé entre le siège de soupape et le plateau de soupape. Le joint réduit la probabilité de fuite d'air ou de gaz depuis ou vers le carter.
• Ressort – une bobine métallique située à l'intérieur du corps de la soupape. Le ressort maintient le plateau de soupape pressé contre le siège de soupape dans des conditions de fonctionnement normales, maintenant ainsi la soupape en position fermée. Lorsque la pression dans le carter augmente, le ressort est comprimé et la soupape s'ouvre.
• Déflecteur – dirige toute impulsion de pression et flammes vers le bas pour protéger le personnel à proximité ; l'écart par lequel l'impulsion de pression est dirigée est de 120 degrés de la circonférence totale de la soupape.

Bon à savoir - une CERV est essentiellement une soupape anti-retour, c'est-à-dire qu'elle permet le flux dans une seule direction.

Bon à savoir - une CERV n'a pas de tige de soupape.

Soupape de décharge d'explosion de carter

Comment fonctionne une soupape de décharge d'explosion de carter ?

Pendant le fonctionnement normal du moteur, les soupapes de décharge d'explosion de carter restent fermées, scellant efficacement le carter et maintenant la pression du carter dans une plage acceptable.

En cas d'explosion de carter, une augmentation rapide de la pression se produit à l'intérieur du carter. Si la pression n'est pas relâchée, le grippage du moteur, des dommages aux composants et/ou même la rupture du carter peuvent se produire.

Comment fonctionne une soupape de décharge d'explosion de carter

Une soupape de décharge d'explosion de carter est conçue pour réagir à toute augmentation soudaine de pression dans le carter. Lorsque la pression du carter augmente, elle agit sur le plateau de soupape de la CERV, surmonte la force du ressort maintenant la soupape fermée, ouvrant ainsi la soupape.

L'ouverture de la soupape de décharge du carter crée un passage pour que les gaz à haute pression s'échappent du carter ; cette libération de pression empêche le carter de devenir surpressurisé, atténuant ainsi les effets d'une explosion.

Pour empêcher la propagation des flammes depuis le carter, une CERV intègre un arrête-flammes. Ce composant refroidit les gaz de combustion et perturbe le front de flamme, empêchant les flammes de s'échapper de la soupape et d'enflammer potentiellement des matériaux combustibles environnants.

Une fois que la pression du carter a diminué en dessous du point de consigne de pression d'ouverture de la soupape (pression de fissuration), la force exercée par le ressort fera que le plateau de soupape presse contre le siège de soupape, c'est-à-dire que la soupape se ferme, scellant efficacement le carter et empêchant tout air ou gaz externe d'entrer. L'étanchéité du carter après une explosion est importante car sinon de l'air frais pourrait entrer dans le carter après une explosion primaire, ce qui pourrait alors entraîner une explosion secondaire supplémentaire et plus importante.

Soupape de décharge d'explosion de carter

Quels dommages sont causés sans une CERV ?

Un moteur subissant une explosion de carter sans la présence d'une CERV subirait très probablement des dommages structurels catastrophiques. Si ce scénario se produisait sur un navire, cela laisserait le navire sans propulsion et peut-être sans alimentation électrique. En particulier, les explosions de carter peuvent endommager les composants suivants du moteur :

• Carter – le carter est le boîtier qui renferme le vilebrequin du moteur et d'autres pièces mobiles. Une explosion de carter pourrait rompre le carter, provoquant l'expulsion d'huile et de débris du carter, blessant potentiellement le personnel à proximité et endommageant la zone environnante. Une défaillance de ce type pourrait également entraîner un incendie dans la salle des machines, ce qui pourrait causer des dommages à d'autres systèmes du navire.
• Défaillance de la bielle (tige de connexion) – une bielle relie un piston à un vilebrequin dans presque tous les moteurs, cependant, dans un grand moteur à deux temps marin, la bielle se connecte à un croisillon, qui se connecte ensuite à une tige de piston. Une explosion de carter pourrait plier ou casser une bielle, provoquant le grippage du moteur.
• Dommages aux pistons – les pistons sont les pièces qui montent et descendent dans les cylindres pour générer de la puissance. Une explosion de carter peut endommager les pistons en raison d'un désalignement, entraînant un manque d'étanchéité entre les segments de piston et le cylindre.

Comment éviter une explosion de carter ?

Une CERV n'existe que pour protéger le moteur en cas d'explosion de carter. Les explosions de carter peuvent être évitées en s'assurant que le moteur est correctement entretenu et correctement utilisé. L'entretien doit toujours suivre les directives d'entretien des fabricants.

Qui a inventé la CERV ?

Les soupapes de décharge de carter ont été développées dans les années 1950 par la British Internal Combustion Engine Relief Association (BICERA). BICERA a été formée en 1948 en réponse à une série d'explosions de carter survenues à bord de navires. L'organisation a mené des recherches sur les causes de ces explosions et a développé un certain nombre de dispositifs de sécurité, y compris la soupape de décharge de carter.

La première soupape de décharge d'explosion de carter a été brevetée par BICERA en 1954. La soupape était conçue pour s'ouvrir et relâcher la pression en cas d'explosion de carter et pour empêcher les flammes de s'échapper du carter. Les soupapes de décharge d'explosion de carter sont désormais une caractéristique de sécurité standard sur presque tous les moteurs à combustion interne de taille moyenne et grande.

Ressources supplémentaires

https://www.marinetopics.com/articles-desktop-en/crankcase-relief-valve/

http://www.machineryspaces.com/explosion-relief-valve.html

https://man-es.com/docs/default-source/service-letters/sl2009-512.pdf?sfvrsn=6ff9c151_8

https://chiefengineerlog.com/2022/10/19/what-you-need-to-know-about-crankcase-relief-valves/