La culasse est un élément déterminant pour augmenter le rendement du moteur de votre voiture. En apportant des modifications aux conduits de la culasse, on augmente la perméabilité de la culasse ce qui améliore son remplissage. Mais où est placée la culasse dans le moteur ? A quoi sert-elle ? Et surtout, comment bien effectuer la préparation d’une culasse ?
- La culasse : un bunker pour votre moteur
- Les différents types de culasse
- A quoi sert la culasse d’une voiture ?
- La composition de la culasse
- Les étapes de préparation d’une culasse
La culasse : un bunker pour votre moteur
La culasse est une pièce mécanique en fonte ou en alliage le plus souvent obtenue par fonderie. Elle est située au-dessus du cylindre et comporte généralement :
- les conduits d’admission
- les conduits d’échappement
- des chambres d’eau pour les moteurs à refroidissement liquide ou de larges ailettes pour les moteurs à refroidissement à air.
Suivant les types de moteurs et les technologies retenues, elle est le support des dispositifs suivants :
- les soupapes et leur système de commande (distribution) et le sous-système de graissage associé ;
- les dispositifs d’injection et/ou d’allumage ;
- les dispositifs d’assemblage culasse/bloc-cylindres.
Sur un moteur à deux temps et tous autres moteurs sans soupapes, la culasse est généralement une pièce très simple, n’étant percée que d’un trou pour la bougie.
La culasse ferme le haut des cylindres pour constituer 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 placé 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 constitue la partie supérieure du moteur. En revanche, sur les moteurs d’avions refroidis par air et sur les gros Diesel de poids lourds, stationnaires et marins, pour autant que la distribution soit située 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 souvent le plan de joint.
La culasse est réalisée dans un alliage d’aluminium. La chaleur développée par la combustion du mélange s’évacue par la culasse et le reste par le cylindre et le piston (et les gaz d’échappement).
Les différents types de culasse
Moteur à soupapes latérales
La culasse ne comporte qu’un système de refroidissement et le système d’allumage ou d’injection, les soupapes et l'(es) arbre(s) à cames sont dans le bloc moteur. Dernier exemple : le premier moteur 1 000 cm3 des Renault Juvaquatre.
Avantages :
- Simplicité
- Robustesse
Inconvénients :
- Du fait de la position des soupapes le rendement du moteur est faible
- Entretien difficile (réglage du jeu 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 à gazon, Diesel marin. Ce type de moteur n’est plus utilisé pour la motorisation des automobiles 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 culbuteurs, ces derniers actionnent les soupapes en basculant sur leurs axes. Exemple : Super 5 GT Turbo
Avantages :
- Robustesse ;
- Réglage et démontage aisé ;
- Démontage de la culasse facile ;
- Graissage facile de l’arbre à cames ;
- Pièces peu coûteuses.
Inconvénients : du fait du nombre de pièces, de la masse en mouvement importante et du nombre de liaisons impliquées, ce type de moteur supporte mal les hauts régimes (affolement de soupapes)
Utilisation :
- Ce type de moteur/culasse a été largement utilisé dans le secteur des véhicules particuliers des années 1950 à la fin du siècle (ex : Twingo I moteur C3G, V8 américains et Rolls-Royce-Bentley). En voie de disparition, sauf quelques exceptions (revival muscle cars avec l’Hemi Chrysler et V10 Viper et les LS GM).
- 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
Les soupapes sont dans la culasse, l’arbre à cames aussi, les soupapes sont actionnées par des culbuteurs.
Avantages :
- Mécanique de distribution simplifié ;
- Permet de plus haut régimes.
Inconvénients :
- Lubrification plus délicate
- Les culbuteurs limitent tout de même le régime maximum
Utilisation :
Très courante depuis les années 1970 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
Les soupapes sont dans la culasse, toutes alignées (admission et échappement) juste en dessous de l’arbre à cames. Celui-ci les commande via de simples poussoirs munis de systèmes de réglage de jeux (rattrapage hydraulique, cale, vis ou autre).
Avantages :
- Simplicité, robustesse
- Permet les plus haut régimes (faible inertie)
Inconvénients :
- Entretien / réglage difficile (sauf réglage automatique)
- Implique que les soupapes soient alignées dans la chambre de combustion, rendement diminué (sauf culasse à charge stratifiée)
- Lubrification difficile
- Bougie décentrée, combustion moins performante.
Utilisation :
Assez courante dans les années 90, ce type de culasse est inadaptée aux normes antipollution et de performance du début du xxie siècle.
Moteur à double arbre à cames en tête
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 un réglage dynamique du calage de l’admission indépendant de l’échappement
- Permet les plus hauts régimes (attaque directe des soupapes)
- Permet les plus haut rendements (chambre de combustion hémisphérique, nombre de soupapes)
- Bougie dans l’axe du piston
Inconvénients :
- Cher à fabriquer (deux arbres à cames minimum)
- Complexité de la cinématique de distribution
- Réglage difficile du jeu des soupapes (sauf en cas de réglage automatique ou de petit culbuteur)
- Encombrement
- Lubrification plus complexe
Utilisation :
Les culasses à double arbre à cames en têtes existent depuis très longtemps (Peugeot en 1912). Mais, du fait des problèmes de coûts de fabrication et de maintenance qu’elles posaient, elles ont été très longtemps réservées à la compétition et 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 que l’on utilise ce type de culasse de plus en plus souvent, quelle que soit l’utilisation.
En anglais, on dit Double Overhead Camshaft, ce qui explique le sigle DOHC visible sur certaines motos.
Dans les moteurs de motocyclettes, alors que la Honda CB 450 en était munie 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 quatre cylindres du commerce.
A quoi sert la culasse d’une voiture ?
La culasse se trouve sur la partie supérieure du moteur, et ferme la chambre de combustion. C’est cette partie supérieure du moteur que l’on appelle culasse. La partie inférieure est le bloc moteur. L’écart qui se trouve entre la culasse et le moteur est scellé par le joint de culasse qui va assurer l’étanchéité de la culasse.
L’autre fonction de la culasse est d’assurer une lubrification des cylindres. En cas de mauvaise lubrification, le moteur ne pourra pas fonctionner correctement.
La composition de la culasse
En plus d’être une partie essentielle du moteur, c’est aussi une des plus chères dues à la complexité de sa structure. Cette pièce est constituée d’alliage d’aluminium, un métal très solide qui résiste aux hautes températures : en effet, la culasse est exposée à des températures très élevées lors de la combustion.
Sur la partie basse, la pièce est généralement vissée directement au carter du vilebrequin et fermée en haut avec un couvercle de soupape. Selon le type de carburant utilisé par votre véhicule (diesel ou essence), la structure de la culasse sera différente.
Véhicule à essence : comment est constituée la culasse ?
- Conduit d’admission et d’échappement : le conduit d’échappement permet aux gaz générés par la combustion de pouvoir être évacués, tandis que le conduit d’admission permet l’entrée du mélange air et essence.
- Les soupapes d’admission et d’échappement : elles rendent possible l’admission du mélange air/essence dans la chambre à combustion, pour les soupapes d’échappement permettent l’évacuation de ces gaz vers le système d’échappement.
- L’arbre à cames : un vilebrequin entraîné par la courroie de distribution, entraîne lui-même les arbres à cames. L’arbre à cames permet de réguler l’ouverture et la fermeture des soupapes.
- Les injecteurs : ils alimentent la chambre de combustion avec du carburant
- Les bougies d’allumage : elles permettent de lancer la combustion du carburant, permettant au moteur de démarrer.
Véhicule diesel : comment est constituée la culasse ?
La culasse pour les véhicules diesel est composée des mêmes éléments que ceux présents sur un véhicule à essence.
Cependant, dans le cas d’un véhicule diesel, la combustion se fait grâce à la température de l’air dans la culasse et non grâce aux bougies. Ce sont donc des bougies de préchauffage et non des bougies d’allumage.
Les étapes de préparation d’une culasse
Si vous souhaitez gagner davantage de puissance sur votre voiture, il est possible de réaliser une préparation de la culasse.
L’objectif de cette préparation est d’avoir un rapport volumétrique (= rapport du volume présent dans la chambre de combustion entre le piston au point mort haut et point mort bas) adapté au moteur de votre voiture. Le rapport volumétrique doit être adapté à l’utilisation et à l’architecture du moteur.
Dans le cadre d’une reprogrammation Fred Auto Sport, nous effectuons cette préparation uniquement à partir du stage 3.
Etape 01 : Le dimensionnement des conduits
Il est important de bien dimensionner les conduits d’admission pour avoir une bonne vitesse de gaz.
Voici quelques astuces pour travailler sur le dimensionnement du conduit de soupape :
- Monter des sièges de soupape correctement dimensionnés
- Usiner les sièges de soupape avec des angles et des portées spécifiques
- Procéder à un allégement et un tulipage des soupapes ou à un montage de soupapes en titane
- Transformer les poussoirs hydrauliques en poussoirs mécaniques (dans le cadre d’un moteur qui va prendre beaucoup de régime)
- Monter des coupelles de ressorts de soupape en alliage léger (notamment dans le cas d’une préparation extrême pour prendre davantage de régime)
- Passer des ressorts de soupapes renforcés (selon le type de véhicule)
Etape 02 : La préparation des conduits
Au début, il convient de modifier les conduits de culasse afin d’optimiser le remplissage.
D’origine, les conduits de culasse sont moulés et ont un effet granuleux type peau d’orange.
Lors de leur préparation, certains donnent un aspect “balle de golf” aux conduits de culasse. Pour la petite histoire, les chercheurs du début du XXe siècle se sont aperçus que les balles de golf usagées (comportant de nombreux impacts de club) volaient plus loin que les neuves. Dans les cas d’une légère porosité, une fine couche d’air à la surface du métal permettait un meilleur glissement de la masse d’air. Pour nous, l’aspect “balle de golf” est compliqué à mettre en œuvre et il coûte cher.
Nous conseillons plutôt d’opter pour l’aspect “jex” pour vos conduits d’admission. Pour cela, il suffit de dégrossir avec un tampon jex afin d’enlever les aspérités des moulures. Ainsi, l’air qui passe adhère à la surface (notamment au niveau de la cassure du conduit d’admission) et cela permet de faire entrer plus d’air dans la chambre de combustion.
Côté conduit d’échappement, nous conseillons l’aspect “poli miroir” qui consiste à lisser le conduit d’échappement. L’idée est de limiter les échanges thermiques entre les gaz d’échappement et la culasse.
Etape 03 : Le volume de la chambre de combustion
Lors d’une préparation culasse, il est essentiel d’équilibrer les volumes de toutes les chambres de combustion. Pour cela, vous devez :
- Mesurer les chambres à combustion.
- Homogénéiser les volumes de toutes les chambres de combustion
- Polir la chambre de combustion avec du Belgom Alu
Etape 04 : Choix et réglage des arbres à came (AAC)
Les arbres à cames peuvent être très différents en fonction du type de moteur (atmo ou turbo) et du caractère que l’on souhaite donner à son moteur.
Le calage des arbres à cames est une étape délicate et nécessite de bonnes connaissances en préparation automobile. Même avec les arbres à cames les plus adaptés à votre préparation, si votre calage est mal effectuée, le résultat ne sera pas au rendez-vous.
Vous l’aurez compris, la préparation d’une culasse est très technique et demande de sérieuses connaissances en mécanique. Si vous souhaitez réaliser un stage 3, n’hésitez pas à demander au centre le plus proche de chez vous ce qu’il est possible de faire sur votre véhicule. Il saura vous répondre et vous apporter tous les détails nécessaires.
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