L’évolution des culasses pour l’automobile

La culasse, en évolution constante, est une pièce de fonderie majeure du véhicule automobile. Elle est fortement sollicitée thermiquement et doit en même temps avoir un prix de revient très maîtrisée avec une complexification de sa géométrie interne et une évolution des noyaux vers des technologies de liant inorganique. Cet article fait le point sur les évolutions en cours ou à venir.

Des températures et des pressions de fonctionnement en augmentation

Température de culasse
Augmentation de la température et de la pression dans les culasses

La culasse est l’organe moteur le plus sollicité du GMP (Groupe Moto Propulseur) avec en particulier les zones de pontets inter-soupape qui subissent des sollicitations thermomécaniques très importantes (risque de fissuration à terme). Le downsizing général du GMP et en particulier le passage aux moteurs 3 cylindres ne fait qu’amplifier la puissance spécifique (specific power rating) en augmentation constante depuis les années 1980 aussi bien pour les véhicules essences (45-50 kW/l à 60-65 kW/l) que pour les Diesel (50-55 kW/l à 70-75 kW/l). Cela conduit à une augmentation de la température et de la pression de fonctionnement des culasses. Les températures de fonctionnement peuvent ainsi atteindre ou dépasser 250°C dans la zone de chambre de combustion.

Les fonctions de la culasse

Fissure sur culasse.
Fissure de fatigue thermique sur une culasse en aluminium.

La culasse est la partie supérieure du moteur. Elle comporte les conduits d’admission, les conduits d’échappement et 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 soupapes et de leur système de commande (distribution) et le sous-système de graissage associé, des dispositifs d’injection et/ou d’allumage, et enfin des dispositifs d’assemblage culasse/bloc-cylindre. La culasse ferme le haut des cylindres pour constituer ainsi les chambres de combustion. Généralement, elle est assemblée au bloc-cylindres avec des vis ou des goujons. Entre la culasse et le bloc-cylindres est placé le joint de culasse.

La culasse 3 cylindres, une tendance de fond

Les motorisations, plus particulièrement des véhicules essence, passent de plus en plus aux 3 cylindres qui offrent de nombreux avantages (plus faible émission de CO2, faible encombrement, coût de production réduit, …). Du coup, la production industrielle de culasses 3 cylindres est, elle-aussi, comme les carters cylindres, en croissance (au détriment du 4 cylindres). Car si ces petits moteurs sont tout d’abord apparus sous les capots du segment B (Clio, 208, C3, fiesta, …), ils sont rapidement montés en gamme. Et certains constructeurs vont même plus loin avec des moteurs bicylindres comme Fiat avec son moteur TwinAir.

Les fabricants de culasses automobiles

Culasse 4 cylindres.
Culasse 4 cylindres SJI saint jean industries.

Les constructeurs automobiles intègrent, pour un certain nombre, la fabrication de leurs culasses comme PSA Charleville (moulage coquille et Lost-Foam). Cependant des équipementiers indépendants de taille internationale sont aussi des acteurs majeurs et développent et fabriquent des culasses pour les principaux constructeurs. On peut ainsi citer en France : Montupet (division Light Metal Casting de Linamar) à Laigneville, Saint-Jean Industries à Ingrandes et SIFA Technologies à Orléans (Alty Industry).

Les leviers pour augmenter la tenue à chaud

Afin de répondre aux nouvelles conditions de fonctionnement des culasses (température et pression), les fabricants sont amenés à augmenter le niveau de qualité des pièces et en particulier la limite d’endurance en fatigue à chaud. Cela peut être obtenu de différentes manières ; tout d’abord en augmentant le niveau de qualité (réduction des porosités et inclusions), puis en améliorant la finesse de la microstructure (SDAS –Secondary Dendritic Arm Spacing) et enfin en choisissant l’alliage (ou le procédé de fabrication ou le traitement thermique) le mieux adapté.

Les différentes nuances d’aluminium utilisées pour les culasses

Caractéristiques mécaniques.
Caractéristiques mécaniques de 3 alliages à 250 C pour culasses.

Les culasses automobile sont fabriquées quasiment à 100 % en alliage d’aluminium sur tous les continents. La fonte a disparu depuis déjà plusieurs dizaines d’années. Si les alliages de la famille Al-Si (Al Si7Mg0.3) ont longtemps été utilisés, ils sont dorénavant de plus en plus remplacés par des alliages de la famille Al-Si-Cu qui permettent de supporter des températures de fonctionnement plus élevées (> 250°C) en particulier sur les moteurs Diesel. On trouve ainsi des alliages d’aluminium de 1ere fusion de type AlSi7MgCu0.5-T6, AlSi8Cu3-T5, AlSi7Cu3MnMg, AlSi7MgCuFeNi, AlSi9Cu1Mg, … dont la teneur en cuivre varie de 0,5 % à 3 % (avec une faible teneur en nickel quelquefois) améliore les caractéristiques mécaniques à chaud (ductilité et tenue en fatigue).

Cependant, si de nombreux éléments d’addition peuvent être utilisés pour doper le Rp0.2 et la tenue au fluage, ils ont aussi pour effet de diminuer la conductivité thermique de l’alliage d’aluminium et un compromis est à trouver. D’autres alliages dopés (Sc, Zr, …) à plus hautes performances pourraient être nécessaires pour répondre à des températures de fonctionnement très élevées. Le coût de la matière première de ces additions augmentera cependant le prix des culasses (5 € environ pour 0,2 % de Scandium).

Les procédés de fabrication des culasses

Culasse en production
Culasse en production (Source Montupet).

Il existe de nombreux procédés de moulage gravité permettant de réaliser les culasses en aluminium. Notons d’abord que la fabrication des culasses nécessite le positionnement de nombreux noyaux en sable (pour la réalisation des zones internes) ou externes. En moulage gravité en moule métallique –le procédé le plus répandu- ces noyaux assemblés sont positionnés dans un moule en acier ou en fonte qui permet de les tenir assemblés. L’aluminium liquide est cependant encore en contact avec le moule métallique dans de nombreuses zones, ce qui permet d’avoir des vitesses de solidifications plus importantes. Si dans le passé, de nombreux développements ont été réalisés en basse pression (pour optimiser le niveau de qualité et réduire la mise au mille), les chantiers en carrousel semblent de nouveau être en développement pour optimiser le niveau d’investissement et la productivité.

Les culasses peuvent aussi être fabriquées par d’autres technologies comme le moulage en sable à prise chimique ou le procédé Lost Foam qui permet d’obtenir des zones internes d’une grande complexité par assemblage de modèles en polystyrène. Le procédé Lost-Foam peut être limitatif cependant car il ne permet pas (ou très difficilement) de positionner des inserts métalliques (refroidisseur) afin d’obtenir un DAS fin comme celui obtenu en moulage coquille.

La complexification des zones internes

CAO de culasses
Conception des culasses (source Montupet).

En raison de l’introduction de circuits de refroidissement sophistiqués, ainsi que de nouveaux systèmes de combustion et d’actionnement avancés des trains de soupapes, la géométrie des culasses devient de plus en plus complexe. En particulier, les zones internes sont réalisées par un assemblage de 6 à 8 noyaux comprenant entre autres le noyau d’huile, le noyau de conduit d’admission, le noyau de conduit d’échappement, le noyau de pompe, le noyau d’eau inférieur, …, le noyau d’eau supérieur. La maîtrise de la précision géométrique de cet assemblage devient un enjeu majeur des fonderies de culasses.

Les liants inorganiques pour réaliser les noyaux internes

Les liants inorganiques (à la place des liants organiques actuels) constituent une solution potentiellement intéressante pour la réalisation des noyaux internes car ils émettent des gaz (COV, …) en très faible quantité lors de leur dégradation thermique en fonderie. Cependant, leur utilisation courante à l’échelle industrielle sur des véhicules d’entrée ou de gamme moyenne nécessite encore de lever des verrous techniques comme le décochage et le recyclage de ces noyaux.

Le contrôle des culasses par tomographie

tomographie de culasse.
Speed Scan tomographe Volskwagen Hanovre – fonderie aluminium culasse.

Les culasses sont traditionnellement contrôlées par radiographie pour valider l’absence de défauts internes (soufflures, retassures) dans les zones fortement sollicitées. Cependant, avec la complexification de la géométrie, la tomographie devient un moyen de plus en plus utilisé pour le contrôle CND en phase de mise au point ou en contrôle de production. De plus, la tomographie permet d’avoir accès au contrôle dimensionnel des zones internes, ce qui n’est pas possible avec les MMT (Machines à Mesurer Tridimensionnelles) conventionnelles. La tomographie en ligne est même réalisée chez certains constructeurs Outre-Rhin pour des culasses haut de gamme.

La compression isostatique à chaud

Un traitement de CIC (Compression Isostatique à Chaud) pourrait être appliqué sur les culasses pour réduire au minimum les défauts internes (retassures, porosités gazeuses), limiter la dispersion d’une pièce à l’autre et augmenter ainsi le niveau de qualité. On sait en effet que les porosités présentes diminuent de manière très importante les performances mécaniques. Ainsi 1 % de porosité réduirait de 20 % les caractéristiques en statique et de 50 % la durée de vie en fatigue. Ce type de traitement, largement utilisé dans l’aéronautique (sur les pièces critiques en aluminium ou en titane) et d’un surcoût certain n’a cependant pas d’effet sur les défauts débouchants (criques, …).

Une culasse en deux parties

Split cylinder head.
Split cylinder head – source Teksid.

Pour lever le verrou de la tenue à chaud et optimiser le coût de fabrication, une autre idée (dite « split cylinder head ») serait de scinder la culasse en deux parties, chacune utilisant la meilleure combinaison de matériau et de procédé de fabrication. La partie inférieure de la culasse faisant face aux chambres de combustion pourrait de préférence être réalisée avec un alliage résistant aux températures élevées. Sans la nécessité d’utiliser un noyau de sable, un alliage à hautes performances tel que l’AlCu4TiMg ou AlCu5NiCoSbZr, qui ne peut pas être coulé facilement sous des formes complexes, pourrait être utilisé. Pour l’autre partie de la culasse, moins sollicitée thermiquement il serait possible d’utiliser un alliage d’aluminium présentant une excellente aptitude au moulage (AlSi6Cu4 par exemple) pour la réalisation des zones internes fortement noyautées.

Les évolutions encore à venir

Si des hausses de température de fonctionnement moteur intervenaient, de nouvelles nuances d’alliage d’aluminium seraient nécessaires. De la même manière, une complexification croissance des géométries internes obligera sans doute à repenser en profondeur la conception et l’industrialisation des noyaux. Enfin, le contrôle de la santé interne sera vraisemblablement de plus en plus poussée.

2 commentaires

  1. Bouclet says

    Bonjour, pourriez-vous m’expliquer ce qu’est la « compression isostatique à chaud » et quel est son intérêt ?

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Daniel. La compression isostatique à chaud (CIC ou HIP en anglais) consiste à soumettre les pièces à l’action simultanée d’une haute pression (1000 à 2000 bars) à une température élevée, dans une atmosphère inerte d’argon. Le CIC comprime la matière (densification) et est utilisé pour éliminer les porosités internes (soufflures, retassures) non débouchantes en surfaces dans les pièces pour leur conférer des propriétés mécaniques plus élevées et moins dispersées. Cependant, le CIC ajoute une opération assez onéreuse à la gamme de fabrication et est donc réservée aux pièces à haute VA.

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