Culasse de moteur - Définition

La culasse est la partie supérieure du moteur. Il s'agit d'une pièce complexe, en fonte ou en 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, 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 également le plan de joint.

Différentes architectures de culasse

Moteur à soupapes latérales

Le cylindre vu de dessus, culasse ôtée. Notez les encoches dans les têtes de soupapes, destinées à faciliter le rodage en y implantant un tournevis

Vue externe du même cylindre. On voit très nettement les queues de soupapes dirigées vers le bas

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. Ce type de moteur est très 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 difficile (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 1940.

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. Les soupapes sont actionnées par le biais des culbuteurs et des tiges de culbuteurs. Exemple : moteur de Renault 4

Avantages

• Robustesse
• Rendement supérieur

Inconvénients

• Du fait de la masse en mouvement nettement supérieure, ce type de moteur supporte mal les hauts régimes (affolement de soupapes)

Utilisation

N'est plus utilisé dans le secteur automobile. Toujours utilisé dans le secteur poids lourd et maritime. Ce type de moteur/culasse a été largement utilisé dans le secteur des véhicules particuliers des années 50 à la fin du siècle (ex : Renault Twingo).

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

• 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 régimes 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. Celui-ci les commande via de simples poussoirs muni 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 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

Chaîne de distribution qui entraîne 2 arbre à cames

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.

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)
• encombrement
• lubrification difficile

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