Culasse de moteur

La culasse est la partie supérieure, le plus fréquemment démontable, d'un moteur à pistons alternatifs. Elle ferme le haut des cylindres.



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Organe d'un moteur à explosion - Moteur à explosion

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  • On en arrive aux soupapes en tête. C'est à dire disposées dans la culasse elle- même et généralement commandées par des culbuteurs (d'où l'expression moteur... (source : gazoline)
Schéma d'une culasse avec double arbre à cames en tête en cours de fonctionnement

La culasse est la partie supérieure, le plus fréquemment démontable, d'un moteur à pistons alternatifs. Elle ferme le haut des cylindres. Généralement, les soupapes d'admission et d'échappement y sont logées. Sa forme et ses caractéristiques sont toujours étroitement liées à l'évolution des moteurs et sont surtout déterminées selon le type de distribution et de la forme de la chambre de combustion[1].

Histoire

Certains des premiers moteurs automobile sont équipés d'une culasse scindée du bloc-cylindres. Cependant, la structure présentant une culasse solidaire du bloc-cylindres est préférée par la majorité des constructeurs. Cette solution permet d'obtenir des pièces plus résistantes et évitait le planage des surfaces de contact, en éliminant ainsi l'ensemble des problèmes d'étanchéité. Les dispositifs de commande des soupapes sont fréquemment positionnés en dehors de la culasse ainsi exposés à l'air, permettant d'assurer un meilleur refroidissement et facilitant l'entretien[1].

L'adoption de la culasse démontable élimine les bouchons et permet d'étudier avec une plus grande précision la forme de la chambre de combustion pour perfectionner le rendement. La culasse conçue par Ricardo, aux environs de 1920, s'impose pour la conception de la majorité des moteurs de l'époque. Tout en conservant des soupapes latérales, elle permet d'obtenir un rapport volumétrique assez élevé et une bonne turbulence[2].

Description

Il s'agit d'une pièce complexe, en fonte ou en aluminium généralement obtenue par fonderie qui comporte le plus fréquemment, sur un moteur à quatre temps :

D'autre part, suivant les types de moteurs, et les technologies retenues, elle est le support des systèmes suivants :

Sur un moteur à deux temps, la culasse est généralement une pièce particulièrement simple, n'étant percée que d'un trou pour la bougie.

La culasse ferme le haut des cylindres pour former ainsi les chambres de combustion. Généralement, elle est assemblée au bloc-cylindres au moyen de vis ou de goujons. Entre la culasse et le bloc-cylindres est positionné le joint de culasse. Sur les moteurs équipés de cylindres borgnes, la culasse est fixée à demeure au cylindre (moteurs à pistons d'avions légers, ex : moteurs Lycoming et Teledyne Continental) ou même est coulée d'une pièce avec les cylindres (ex : moteurs Bugatti).

Sur les moteurs automobiles modernes, une seule culasse par rangée de cylindres forme la partie supérieure du moteur. Par contre, sur les moteurs d'avions refroidis par air et sur les gros Diesel de poids lourds, stationnaires et marins, pour tout autant que la distribution soit localisée latéralement dans le bloc-cylindres et non sur la culasse, chaque cylindre a sa propre culasse (c'est aussi le cas de la 2CV Citroën) moins sensible à la déformation du plan de joint et facilitant la maintenance.

Les culasses sont soumises à de fortes contraintes mécaniques, chimiques et thermiques. Elles sont soigneusement refroidies par de larges chambres d'eau (ou des ailettes si le moteur est refroidi à air) qui entourent les chambres de combustion et les conduits d'échappement. Des passages dans le plan de joint relient ces chambres d'eau avec celles du bloc-cylindres et le circuit général de refroidissement du moteur. L'huile parvient sous pression à la distribution par des canalisations de lubrification qui traversent aussi le plan de joint.

Études préalables

Dans l'étude d'une culasse conçue pour un moteur à combustion interne moderne, trois objectifs principaux sont pris en compte : un bon rendement, un niveau de pollution particulièrement bas et un prix de revient particulièrement faible. Ces trois objectifs ne sont pas forcément compatibles.

La forme et l'inclinaison des conduits d'admission et d'échappement sont étudiées de manière à créer la plus grande turbulence envisageable dans la chambre de combustion sans cependant diminuer la vitesse d'introduction des gaz, par conséquent le taux de remplissage. Il faut veiller surtout à ce que la section transversale des conduits conserve dans toute sa longueur un diamètre constant ou par défaut, une conicité négligeable. Les dimensions et la forme de la chambre de combustion dépendent du rapport course-alésage[3].

La surface de la soupape d'échappement doit généralement être identique à à peu près 60 à 80 % de celle de la soupape d'admission. Dans la mesure où presque tout l'espace disponible de la chambre d'explosion est utilisé pour loger les soupapes dans les meilleures conditions, il ne reste qu'une marge particulièrement réduite pour la bougie, qui doit être positionnée en particulier en tenant compte de son accessibilité pour le démontage[3].

La forme de la chambre est conditionnée par les exigences de l'usinage et l'obligation de réaliser une économie dans sa fabrication. Un soin spécifique doit être apporté à l'étude des canalisations de refroidissement pour simplifier l'usinage des chemisages intérieurs, mais aussi pour obtenir un échange thermique efficace et pour éviter la formation de points chauds dans la culasse[4]. Les mêmes considérations sont valables pour l'étude des conduits de graissage des culbuteurs et des paliers de l'arbre à cames en tête. Le retour de l'huile dans le carter s'effectue le long des goujons de fixation de la culasse, ou encore à travers des canalisations de réception spéciales[3].

Moteur à soupapes latérales
Le cylindre vu de dessus, culasse enlevée. Notez les encoches dans les têtes de soupapes, conçues pour favoriser le rodage en y implantant un tournevis
Vue externe du même cylindre. On voit particulièrement nettement les queues de soupapes dirigées vers le bas

La culasse ne comporte qu'un dispositif de refroidissement et le dispositif d'allumage ou d'injection, les soupapes et l' (es) arbre (s) à cames sont dans le bloc moteur. Ce type de moteur est particulièrement ancien et n'est plus utilisé. Exemple : moteur de Renault Juvaquatre.

Avantages

  • Simplicité
  • Robustesse

Inconvénients

  • Du fait de la position des soupapes le rendement du moteur est faible
  • Entretien complexe (réglage du jeux des soupapes)

Utilisation

  • Ce type de culasse/moteur se contente d'une lubrification sommaire. C'est pourquoi on le trouve toujours sur des moteurs "simples" : tondeuse, diesel marin. Ce type de moteur n'est plus utilisé dans l'automobile depuis les années 1950.

Moteurs à arbre à cames latéral et soupapes en tête

Les soupapes sont dans la culasse, l'arbre à cames est dans le bloc moteur. L'arbre à cames pousse sur des tiges de culbuteurs, qui poussent sur les culbuteur, ces derniers actionnent les soupapes en basculant sur leurs axes. Exemple : moteur de Renault 4

Avantages 
  • Robustesse ;
  • Réglage et démontage aisé ;
  • Démontage de la culasse facile ;
  • Graissage facile de l'arbre à cames ;
  • Pièces peu couteuses.
Inconvénients 
  • Du fait de la masse en mouvement nettement supérieure et du nombre de liaisons impliquées, ce type de moteur supporte mal les hauts régimes (affolement de soupapes)

Utilisation

  • N'est plus utilisé dans le secteur automobile. Ce type de moteur/culasse a été beaucoup utilisé dans le secteur des véhicules spécifiques des années 50 à la fin du siècle (ex : Renault Twingo).
  • Toujours utilisé dans le secteur poids lourd et maritime.
  • Toujours utilisé sur certains modèles de motocyclettes (Moto Guzzi, Harley_Davidson, Yamaha_MT-01, etc. ).

Moteurs à arbre à cames en tête culbuté

Moteur à arbre à came en tête culbuté d'une Honda CR-X Si de 1987.

Les soupapes sont dans la culasse, l'arbre à cames aussi, les soupapes sont actionnées par des culbuteurs.

Avantages

  • rendement toujours supérieur, la chambre de combustion pouvant être hémisphérique
  • simplicité
  • permet qui plus est haut régimes

Inconvénients

  • lubrification plus complexe
  • les culbuteurs limitent tout de même le régime maximum

Utilisation

  • Très courante depuis les années 70 dans l'automobile. Les progrès de la lubrification des moteurs ont permis d'utiliser cette architecture de culasse dans les véhicules grand public (ex : Peugeot 304, plus récemment Peugeot 106 ou Citroën AX, équipées du moteur TU)

Moteur à simple arbre à cames en tête à attaque directe

Arbre à cames en tête

Les soupapes sont dans la culasse, toutes alignées (admission et échappement) juste en dessous de l'arbre à cames. Ce dernier les commande via de simples poussoirs pourvus de dispositifs de réglage de jeux (rattrapage hydraulique, cale, vis ou autre).

Avantages

  • simplicité, robustesse
  • permet les plus haut régimes (faible inertie)

Inconvénients

  • entretien / réglage complexe (sauf réglage automatique)
  • implique que les soupapes soient alignées dans la chambre de combustion, rendement diminué (sauf culasse à charge stratifiée)
  • lubrification complexe
  • Bougie décentrée, combustion moins performante

Utilisation

  • Très courante à l'heure actuelle, mais semble aller en diminuant (dans l'automobile) ex : Opel Corsa

Moteur à double arbre à cames en tête

Coupe d'une culasse, montrant les cames au-dessus des soupapes

Les soupapes sont dans la culasse, les admissions d'un côté, les échappements de l'autre. Au-dessus de chaque rangée de soupapes, 1 arbre à cames qui commande directement les soupapes via un poussoir ou un minuscule culbuteur.

Avantages

  • simplicité de la commande des soupapes
  • permet de particulièrement hauts régimes (attaque directe des soupapes)
  • permet un haut rendement (chambre de combustion hémisphérique)
  • bougie dans l'axe du piston

Inconvénients

  • cher à fabriquer (pièces plus nombreuses)
  • complexité de la cinématique de distribution
  • réglage complexe du jeu des soupapes (sauf en cas de réglage automatique ou de petit culbuteur)
  • encombrement
  • lubrification complexe

Utilisation

  • Les culasses à double arbre à cames en têtes existent depuis particulièrement longtemps (Peugeot en 1912). Mais, du fait des problèmes de coûts de fabrication et de maintenance qu'elles posaient, elles ont été particulièrement longtemps réservées à la compétition ainsi qu'aux voitures de sport ou de luxe. Cette architecture est la plus adaptée à l'utilisation de quatre soupapes par cylindre. Les avantages qui en découlent (meilleur remplissage à haut régime, rendement, dépollution) font qu'on utilise ce type de moteur qui plus est en plus fréquemment, quelle que soit l'utilisation.

En anglais, on dit Double Overhead Camshaft, ce qui explique le sigle DOHC visible sur certaines motos.

En motocyclette, alors que la Honda CB 450 en était pourvue à la fin des années 1960, la prestigieuse CB 750 four de 1969 avait un simple arbre. Il faudra attendre la Kawasaki 900 Z1 en 1973 pour voir son usage commencer à se généraliser sur les 4 cylindres du commerce.

Matériaux et procédés de fabrication

Les culasses sont réalisées en fonte ou en alliage d'aluminium. Sur les moteurs modernes, les alliages légers sont généralement préférés, à cause des avantages importants qu'ils présentent au point de vue de la réduction du poids ou de leurs excellentes caractéristiques de fusion et de transmission thermique. Pour les culasses en alliage léger, on utilise des guides en bronze, qui s'adaptent mieux aux dilatations. Les sièges des soupapes sont aussi mis en place à la presse et sont fabriqués en fonte ou en acier, avec un apport éventuel de matériau résistant aux températures élevées ainsi qu'à la corrosion[5].

Les supports de la distribution sont généralement réalisés par le processus de fonderie sous pression, qui sert à fabriquer des pièces d'une finition idéale, avec des parois particulièrement minces. La partie inférieure de la culasse est obtenue par coulage en coquille ou, plus rarement, par coulage dans des moules en sable ; elle est réalisée en fonte, dont la composition est adaptée au matériau utilisé pour les soupapes, de manière à éviter tout risque de grippage[6].

Notes et références

  1. ab (fr) Motorlegend, Technique : La culasse, p1
  2. (fr) Motorlegend, Technique : La culasse, p2
  3. abc (fr) Motorlegend, Technique : La culasse, p3
  4. Il y a dans ce cas des risques de déformation ou de pré allumage
  5. (fr) Motorlegend, Technique : La culasse, p4
  6. (fr) Motorlegend, Technique : La culasse, p4

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