Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Culasse

Définition

Schéma d'une culasse avec double arbre à cames en tête en cours de fonctionnement

La culasse est la partie supérieure, le plus souvent démontable, d'un moteur à pistons alternatifs. Elle ferme le haut des cylindres. Sur certains moteurs, 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 plus particulièrement déterminées en fonction du type de distribution et de la forme de la chambre de combustion. Pour être complet, certains (rares) moteurs n'ont pas de culasse, comme les moteurs à pistons opposés.

Histoire

Certains des premiers moteurs sont équipés d'une culasse séparée du bloc-cylindres. Cependant, la structure présentant une culasse solidaire du bloc-cylindres est préférée par la plupart des constructeurs. Cette solution permet d'obtenir des pièces plus résistantes et évitait le planage des surfaces de contact, en éliminant ainsi tous les problèmes d'étanchéité. Les systèmes de commande des soupapes sont souvent placés en dehors de la culasse ainsi exposés à l'air, permettant d'assurer un meilleur refroidissement et facilitant l'entretien.

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 améliorer le rendement. La culasse conçue par Ricardo, aux environs de 1920, s'impose pour la conception de la plupart des moteurs de l'époque. Tout en conservant des soupapes latérales, elle permet d'obtenir un rapport volumétrique relativement élevé et une bonne turbulence.

Description

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

• 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.

D'autre part, 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 d'allumage. 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.

Sur les moteurs modernes, une seule culasse par rangée de cylindres constitue la partie supérieure du moteur. En revanche, sur les moteurs refroidis par air et sur les gros Moteur 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 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.

Études préalables

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

La forme et l'inclinaison des conduits d'admission et d'échappement sont étudiées de façon à créer la plus grande turbulence possible dans la chambre de combustion sans toutefois diminuer la vitesse d'introduction des gaz, donc le taux de remplissage. Il faut veiller plus particulièrement 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.

La surface de la soupape d'échappement doit généralement être égale à environ 60 à 80 % de celle de la soupape d'admission. Étant donné que 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 très réduite pour la bougie, qui doit être placée surtout en tenant compte de son accessibilité pour le démontage.

La forme de la chambre est conditionnée par les exigences de l'usinage et la nécessité de réaliser une économie dans sa fabrication. Un soin particulier doit être apporté à l'étude des canalisations de refroidissement pour simplifier l'usinage des chemisages intérieurs, ainsi que pour obtenir un échange thermique efficace et pour éviter la formation de points chauds dans la culasse, Il y a alors des risques de déformation ou de pré allumage. 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.

Différentes architectures de culasse

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.

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)

Moteurs à arbre à cames en tête culbuté

Moteur à arbre à came en tête culbuté.

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

Avantages

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

Inconvénients

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

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. 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

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 très 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 difficile du jeu des soupapes (sauf en cas de réglage automatique ou de petit culbuteur)
• encombrement
• lubrification difficile

Utilisation

• 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 moteur de plus en plus souvent, quelle que soit l'utilisation.

Matériaux et procédés de fabrication

Les culasses sont réalisées en fonte ou en alliage d'aluminium. Sur les moteurs modernes, les alliages légers sont en général préférés, en raison 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 également mis en place à la presse et sont fabriqués en fonte ou en acier, avec un apport éventuel de matériau résistant aux températures élevées et à la corrosion.

Les supports de la distribution sont en général réalisés par le processus de fonderie sous pression, qui permet de fabriquer des pièces d'une finition parfaite, avec des parois très 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 employé pour les soupapes, de façon à éviter tout risque de grippage.

Joint de culasse

Joint de culasse d'un moteur quatre temps.

Le joint de culasse, lorsqu'il existe, est un joint déformable sous la pression destiné, dans les moteurs à combustion interne, à empêcher les gaz chauds issus de la combustion de fuir de la chambre de combustion. Placé entre la culasse du moteur et le bloc-cylindres, il doit assurer l'étanchéité de chaque chambre de combustion ainsi que la continuité du circuit d'eau de refroidissement et de lubrification. Il doit donc résister à des contraintes thermiques, mécaniques et chimiques très importantes si bien qu'il reste l'une des pièces — si ce n'est la pièce — la plus fragile d'un moteur moderne. Le joint de culasse doit également assurer la stricte séparation entre le circuit d'huile, le circuit d'eau et la chambre de combustion, et permettre le passage des vis ou des goujons d'assemblage entre la culasse et le bloc-cylindres.

Contraintes et matériaux

Le joint de culasse est renforcé par des cerclages métalliques.

Comme tout joint, le joint de culasse subit deux types de déformations permanentes : une déformation à froid en raison du serrage du joint entre la Culasse du moteur et le bloc-cylindres, et une déformation à chaud sous l'effet de la température du moteur. L'épaisseur du joint devra donc être estimée en fonction, certes de l'état de surface et de la planéité, mais également des déformations des surfaces en regard. Enfin, le matériaux constituant le joint de culasse ne devra pas être soumis au fluage sous l'effet des contraintes thermiques.

Défaillances

Un joint de culasse endommagé peut provoquer un manque de compression.

La rupture d'un joint de culasse — le joint est souvent dit « claqué » — est une défaillance courante aux conséquences plus ou moins graves selon l'endroit où se situe la rupture. Une rupture sur le contour du joint peut engendrer une perte de lubrification ou de refroidissement à l'extérieur du moteur et donc une consommation excessive d'huile moteur ou d'eau. Une rupture entre deux cylindres empêche leur compression et donc leur fonctionnement, d'où une perte de puissance. Plus grave en revanche, la rupture entre un cylindre et le circuit de refroidissement provoque le remplissage d'un cylindre par du liquide de refroidissement. Celui-ci étant incompressible, le moteur est bloqué. Si l'utilisateur force son véhicule à démarrer en le « poussant », les bielles peuvent se déformer, le moteur étant alors définitivement hors d'usage.

Remplacement

Les grandes surfaces en jeu, les précisions de fabrication — planéité de la culasse et de la surface supérieure du bloc-cylindres, rugosité des surfaces en contact avec le joint — font que le remplacement d'un joint de culasse n'est pas une opération anodine et doit être conduite conformément à une procédure très détaillée. Cette procédure concerne le désassemblage culasse/bloc-cylindres, le nettoyage et le contrôle de la géométrie et de la rugosité des surfaces en contact avec le joint, l'ordre et la force de pré-serrage et de serrage des goujons ou des vis d'assemblage ainsi que la vérification du bon fonctionnement et du resserrage après quelques heures d'utilisation.

Moteurs sans joint de culasse

Des choix techniques particuliers peuvent éviter l'utilisation de joint de culasse, par des solutions techniques retenues — entre autres, un faible taux de compression, un refroidissement par air et une culasse par cylindre — conduisent à une absence de joint de culasse. L'étanchéité de la chambre de combustion entre le haut du cylindre en fonte et la culasse en aluminium se fait par simple contact entre les deux pièces sur une surface annulaire réduite, l'assemblage culasse-cylindre-bloc moteur s'effectuant par trois goujons. Par ailleurs, les cylindres borgnes, où la culasse ne forme qu'une seule pièce avec le cylindre, n'ont bien évidemment pas de joint de culasse.