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esimon

Projet 1776cc Part.6: la préparation des Culasses

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La préparation des culasses. Nous voici au coeur de notre "prépa" moteur et de ce que nous allons faire va dépendre en grande partie le rendement, la fiabilité et la longévité de notre 1776cc. Bien entendu, ce dossier exclusif et inédit peut vous permettre d'extrapoler sur d'autres configuration, les bases et principes restant les mêmes. Attention, vous faites le grand saut [...]

"Préparer ses culasses". A ces mots, pleins de choses viennent en tête, mais la première, c'est la mise en garde. En effet, si "taper ses culasses" est très bénéfique, si c'est le nerf de la guerre, ce n'est pas un exercice aussi facile que ca. Il faudra d'abord bien réfléchir, faire des tracés, avoir l'ensemble des pièces allant avec la culasse, pipes et échappements, et ne pas se laisser entraîner par cette griserie qu'est d'enlever de la matière, surtout quand il ne faut pas. Il faut un petit peu d'outillage, un (gros) zeste de réflexion, et BEAUCOUP de patience .
Sur des culasses, il ne faut surtout pas avoir envie de terminer avant de commencer, sinon, faut laisser tomber . Quand vous aurez parcouru cet article, il ne faudra pas non plus oublier qu'il faudra faire exactement la même chose sur tous les autres conduits, et avec la même application !

Si vous en avez une ou deux d'avance, comme ici, vous pouvez vous entraîner sans crainte ...

Généralités

Pour qu'une culasse fonctionne bien, il faut qu'elle fasse parvenir un maximum de gaz frais dans la chambre de combustion, qu'elle inflamme correctement le mélange, et qu'elle fasse sortir le plus rapidement possible des gaz brûlés. Pour que cet échange gazeux soit bon, il faut le minimum de perte de charge. Evidement, il y a des paramètres obligés, tel le diamètre des carbus, la taille des soupapes, ainsi que leur position. Ce n'est pas les "figures libres" mais un exercice imposé. Il faudra bien avoir ça en tête, lorsque que vous baladerez votre fraise un peu partout: on ne fait pas ce qu'on veut ...
Pour limiter les pertes de charges, il faut faire varier le plus régulièrement possible les différents diamètres .
Donc, si on prend une figure toute théorique, pour réduire d'un grand diamètre vers un petit diamètre, il faut avoir le moins d'angle possible, d'un côté comme de l'autre.

B.jpg

sur la fig A la réduction du canal n'est pas optimum, la réduction se faisant réellement sur la seconde moitié du canal : pertes de charge ! A vouloir trop agrandir le canal, parce qu'il y a de la matière et que c'est plus facile, nous détériorons le résultat.

sur la fig B, la réduction est progressive, la perte de charge est minimale, copte tenu de l'obligation de passer d'un diamètre à l'autre .

sur la fig C, la réduction se fait sur une section plus petite, car le canal est droit à chaque extrémité. On pourrait penser que cette configuration est moins efficace que la fig B, et c'est le cas en théorie, sauf que derrière ce canal, il y a quelque chose: un siège de soupape et sa soupape qui va éclater la veine gazeuse, soit un tube d'échappement. Le fait de terminer droit le conduit va "calmer" cette veine, qui n'aura pas cette effet de concentration sur la soupape, cette veine ne décollant pas de la paroi pour continuer la conicité sur la soupape, engendrant plus de perte de charge. De même, en percutant trop violemment la paroi du tube d'échappement, on n'obtient pas l'effet souhaité.

Evidement, ceci est à imaginer en 3D, et avec des courbures ! Celles-ci doivent avoir un rayon le plus grand possible. Seule exception: au passage du guide (de soupape), la section peut être légèrement agrandie afin de conserver le même volume de conduit, en prenant garde de ne pas générer de trop grande variation. Pas la peine de jouer les King Kong...

Autre point important, l'alignement des conduits. En effet, inutile de s'user la santé à peaufiner ces conduits si c'est pour les ajuster les uns aux autres comme un cochon.

C.jpg

Evidemment il faut tendre vers la perfection, en baguant si besoin des trous de fixation afin de réduire les jeux de positionnement, voire d'y mettre un pion. Mais une chose est très importante dans l'écoulement des fluides: il vaut toujours mieux passer d'une petite section vers une grande, que le contraire. Ce petit schéma vous illustre ce qui ce passe :
Sur la fig A, le flux rencontre un obstacle, et rebondit dessus, faisant par ainsi un goulot d'étranglement assez néfaste au bon écoulement , à cause des perturbations.
Sur la fig B, le flux passe sans aucune difficulté, générant seulement une zone de turbulence dans le coin en dépression.

Alors même si un ajustement nickel est demandé, il faut toujours avoir en tête de faire déboucher un petit conduit dans un plus grand, même si c'est infime.

Bien sûr, certains vous dirons qu'un flux est défini en nombre de Reynolds, avec un tas de formule plus ou moins applicables (et plutôt moins...), mais si vous avez juste cette logique, tout ira bien .

L'outillage:

Il vous faut tout d'abord ouvrir vos culasses pour recevoir le kit "big bore" cylindres-pistons de votre choix. Une petite visite chez votre usineur local et le tour sera joué après un petit coup de fraise. Evidemment, si vous voyez un tel objet en swap-meet, comme moi, vous pourrez vous passer d'aller chez l'usineur. Quant on vous dit que chiner dans les swap-meet est vital...

Vous avez dit Goodies ? ... Il n'y a pas de doute !

Si vous descendez plus profond qu'à l'origine lors de l'usinage big-bore, pensez aussi à dégager un peu de matière sur le pourtour du trou, afin de pouvoir emboîter vos cylindres correctement (ici, moins 2mm par rapport à la surface)

Alésage big-bore

Pour l'usinage manuel, l'outillage nécessaire n'est pas très important, ni très coûteux. Il vous faudra avoir quelques fraises, et du papier abrasif. Ce dernier peut être un kit fait pour ce genre de travail , avec du grain variant de 80 à 250 .

Le matériel pour l'usinage des chambres de combustion

Ce n'est pas très cher. Personnellement je l'achète chez Summit (www.summitracing.com) ou chez Eastwood (www.estwoodco.com), mais vous pouvez certainement en trouver ailleurs. Pour entraîner tout ça, un Die Grinder pneumatique est un bon outil, car sa vitesse de rotation est importante, mais une perceuse légère fait aussi l'affaire . Vous pouvez aussi vous munir d'un flexible pour votre perceuse, pour accéder au petit recoin, mais il vous faudra investir dans un très bon flexible (j'insiste !).

Votre serviteur au travail ... .. et de plus près

L'admission

Suivant la culasse que vous allez choisir, il y aura plus ou moins de matière autour des conduits. Il faudra faire attention à ne pas trop en enlever, pour ne pas la fragiliser, ni oublier ce qu'on a vu dans les généralités (fig A)...

Vous voyez ici une culasse stock 040, une culasse 044 CB Perf nouvelle génération, et une ancienne 044 VW qui a été ressoudée. Recharger une culasse à la soudure demande pas mal de travail, une bonne maîtrise de cette technique, et le résultat s'il est très bon, est malgré tout une culasse plus sujette aux criques (apparition de fines fissures). Si je dois vous conseillez une culasse, c'est bien la nouvelle génération de CB044, car la recharge de matière a été prévue à la fonderie: Le bonheur.

I1.jpg I2.jpg

Une culasse 040 stock

J1.jpg J2.jpg

Une 044 CB Perf nouvelle génération

K1.jpg K2.jpg

Une 044 VW rechargée

Comme vous pouvez le constater sur la coupe, il ne faut pas creuser le fond du conduit: cela ne ferait qu'amplifier l'angle de celui-ci. Il faut plutôt ouvrir vers l'avant, avec une direction de 10h pour le canal gauche, et 2h pour le droit. Ceci pour ne pas faire dévier latéralement le conduit. Attention de ne pas trop vous approcher des goujons: si côté culasse, c'est facile, pensez que vos devrez aussi aligner les conduits des pipes d'admission, et comme il faut un dégagement pour les écrous, il n'y a pas beaucoup de matière. Notez aussi que pour gagner de la place, vous pouvez optez pour des écrous de 11mm, pour goujons de 8mm (normalement, c'est du 13mm).

L.jpg

Comme le montre cette coupe, il n'y a pas beaucoup de matière entre l'usinage pour le ressort de soupape et le conduit : aplanissez légèrement ce bossage, et c'est tout . Si vous percez à cet endroit, vous risquez de bien le regrettez .

M.jpg

Faut il supprimer le surplus de matière autour du guide de soupape ?

Certains vous certifierons qu'il ne faut pas y toucher, si vous ne voulez pas avoir de gros ennuis. Pour ma part, quand la culasse est en bon état, je n'ai jamais rencontré le moindre soucis après l'avoir fait. Une chose est sûre: vous pouvez au moins profiler un peu ce bossage. Si vous changez vos guides, soit parce qu'ils sont usés, soit parce l'usinage sera plus facile sans, il vous faudra en emmancher des neufs. Si vous enlevez vos bossages, il est nécessaire d'avoir une pression d'au moins 1500kg pour garantir le serrage et qu'ils ne bougeront pas. Si ceux-ci s'enfoncent à moins, utilisez les guides 1ere côte, voire 2eme cote pour y arriver. En conservant le bossage, cette pression mini est d'une tonne .

Faut il polir les conduits : Oui !

Là aussi il y a 2 écoles, mais il y en a une qui a tord :) ! . En effet, quelle que soit la turbulence des gaz, à une même rugosité correspond à peu près la même perte de charge: certains dirons alors à quoi bon polir... Sauf que plus la rugosité est faible, plus les pertes de charges diminuent. De même, plus la rugosité sera faible, plus la veine gazeuse sera proche de la paroi: Il faut donc polir !

Lisse...

Pour bien usiner, il faut d'abord bien tracer, bien faire symétrique l'ensemble, et vérifier que ce qui est faisable sur la culasse l'est aussi sur la pipe. Vous pouvez faire une forme ovoïde, un peu plus maximaliste en "mini D", ou carrément "square" comme ici sur la photo .

Il vous faudra aussi supprimer tout des angles, et ils sont nombreux dans une fonderie d'origine: il faut vraiment vous mettre à la place du gaz et voir sur quoi vous pourriez rebondir, sachant que le but n'est pas non plus de concentrer la veine sur le centre de la soupape. De par son tulipage, elle explosera bien sûr celle-ci, mais l'intérêt est d'avoir un excellent remplissage de la chambre de combustion. Le fait d'avoir une légère rotation du conduit est plutôt un bon facteur, votre soupape d'admission n'étant pas au centre de la chambre. Il ne faut pas, par contre, contrarier ce flux et bien faire attention que le passage naturel vers le centre du cylindre se fasse. En général, quand ce n'est pas bon, c'est qu'on n'a pas respecté la courbure du conduit, et qu'on a creusé là où il y avait de la matière, mais en oubliant l'objectif... O.jpg

Voici un petit " AVANT " et " APRES " qui aurait pu être réalisé sur cette culasse. mais ne vous détrompez pas, il est aussi possible de faire des miracles sur une culasse stock.

Avant ... ... Après

L'échappement

Si côté admission, il y a pas mal de travail, l'échappement n'est pas mal non plus . Il faut commencer par tracer le diamètre du tube d'échappement sur la portée de la culasse.
Attention aussi au centrage: Il n'est pas forcement très bien centré, votre tube, par rapport aux goujons . Pas la peine de vous évertuer à faire un boulot super clean, si c'est pour vous retrouver en ayant un parallaxe de 3mm à la fin ...

Le piège classique sur l'échappement est de faire trop grand. Il y a assez de matière (attention toutefois à certaines culasses dont le trou des ailettes descend très bas), En ce qui nous concerne, avec un échappement merged 1 1/2, le diamètre est de 38mm, et comme généralement il y a un petit cordon de soudure (que vous pouvez faire passer du côté intérieur vers l'extérieur, ce sera toujours ça de gagné...), ce n'est pas la peine de faire un trou de 44mm ! ! !

R.jpg S.jpg T.jpg

Côté siège, la bosse du guide est très importante: si certains se posaient la question sur l'admission, ici, c'est pire, et la laisser sera vraiment pénalisant. Il vous faut enlever les angles, comme toujours, mais il y a aussi un joli arrondi à faire sous le siège, pour éviter les turbulences . Attention toutefois à laisser de la matière sous le siège: la soupape à force de taper dessus finirait par l'enfoncer, ou le mettre en biais. Notez aussi la rugosité d'origine, complètement inacceptable. Il y a aussi un autre intérêt à avoir peu de perte de charge: la résistance thermique ! Plus la surface est lisse, moins votre culasse absorbera de calories: le gaz qui sort n'est pas vraiment "très frais" ! ! ! Encore une bonne raison de polir tout çà .

U.jpg V.jpg

Sur la 044 CB new generation, il n'y a carrément plus de bosse de guide, ce qui facilite le travail grandement. Sur la coupe de cette pauvre culasse on voit parfaitement l'obstacle que représente le bossage d'origine: faut vraiment être courageux pour passer çà ! Quand on a une 30aine de cv, avec une petite cylindrée, ça passe encore, mais dès qu'il y a du volume... un coup de fraise s'impose !

Faites moi sauter ce bossage... et hop !

La chambre de combustion

Tient, encore un sujet, à polémique...
Bon, déjà : Qu'est ce qu'on a d'origine : une chambre dite "en baignoire". Ce n'est pas ce qui marche le mieux, mais c'est la plus simple à réaliser et quand on a les 2 soupapes sur le même plan, c'est la plus souvent retenue .
La chambre peut être usinée pour avoir une forme semi-hémisphérique. Quel est l'intérêt ?
Ca permet d'abaisser le rapport volumétrique facilement, et d'avoir une meilleure charge sur le piston, bien régulière. Quand l'inflammation aura lieu, ne pas avoir le volume de carburant/comburant concentré sur une partie de la chambre permet de répartir la puissance de l'explosion sur une plus grande surface du piston .
Si la société Berg s'est illustrée dans ce domaine, on retrouve cette forme de chambre sur des 356 et 911. Mais là, c'est un peu différent, car les soupapes n'étant pas sur le même plan, cette forme est alors plus logique . Mais... j'y reviendrais plus loin !
Un autre avantage de la forme semi-hémisphérique : Comme il n'y a pas de point de concentration des gaz, elle devient plus résistante au cliquetis . Avantage : on peut augmenter le rapport volumétrique ! Il y en a qui ont du mal à suivre ?
Tout à l'heure, je disais que c'était pour abaisser ce rapport, et maintenant je dis qu'on peut l'augmenter.. Ce n'est pas incompatible ! On peut l'augmenter par rapport à l'origine, en le diminuant malgré tout par rapport au taux qu'on trouverait si on ne faisait pas l'usinage (en augmentant la cylindrée, on augmente aussi le rapport volumétrique de façon importante).
Voici ce qu'il faut enlever pour obtenir une chambre semi-hémisphérique :

A gauche, la chambre origine

Et voici ce qu'on obtient :

L'usinage saute aux yeux...

Mais il y a eu des culasses pour VW qui étaient déjà en semi-hémisphérique. Bon, d'accord, elles sont un peu plus rares, mais...
Un demi-cochon vivant à celui qui trouve l'origine de celles-ci ... !

Alors, vous coincez ?

En fait, si ce principe est interressant, il n'est nullement suffisant. En fait même, on pourrait sans passer. Pourquoi ? parce que si effectivement cela améliore la combustion et la charge sur le piston, cela n'aide en rien le remplissage de la chambre. Pour ce faire, vous devez dégager le pourtour des soupapes, afin de libérer de l'espace.

Vous commencez par mettre votre cylindre dans votre culasse, et regardez sa surface d'appui . Vous vous gardez une petite marge, et vous tracez jusqu'où vous pouvez aller sans aller sous le cylindre (c'est mieux ;o) . Ici, c'est en vert sur la photo .
Puis, vous essayez de faire un diamètre autour de chaque soupape, qui sera à usiner en ..pseudo-hémisphère ! Regardez, c'est plus simple :

Un dessin, c'est tout de suite plus simple

Et voilà ce que ça donne, après le travail :

AB.jpg

Notez qu'ici aussi, on voit nettement l'usinage pour permettre l'emboîtement correct du cylindre .
Une chambre usinée comme çà, je vous assure que ça marche VRAIMENT bien !
Rien ne vous empêche, si vous souhaitez encore abaisser votre rapport volumétrique de faire l'usinage semi-hémisphérique .
Sur la vue, cet usinage n'est pas complètement symétrique: c'est normal, car les soupapes ne sont pas perpendiculaires au plan de joint, mais inclinées de 9°30'.

Sur une 356 et 911, les soupapes n'étant pas parallèles, lors du dégagement des soupapes, ont obtient une chambre bien semi-hémisphérique.

Arrivé à ce stade, vous pouvez encore installer un "copper ring", une entretoise en cuivre qui vous assurera une parfaite étanchéité.

Les ressorts de soupapes

AC.jpg

Sur notre projet, nous avons opté pour des masses en mouvement relativement légères et donc 2 ressorts par soupape ne s'imposent pas. Il faudra malgré tout en prendre un de qualité. On peut (c'est mieux) mettre sous les ressorts des rondelles d'épaisseur afin de régler la compression de ceux-ci. Ils auront ainsi la même résistance, la même force de rappel. Il faut mesurer à la levée maxi et laisser 2.5mm avant les spires jointives. C'est une marge de sécurité. Ceci est vrai pour les simples ressorts comme pour les doubles ressorts. Si vous optez pour des doubles ressorts, vos tiges seront nécessairement en chromoly. Vous devrez aussi usiner le fût retenant le guide de soupape, et ramener ce diamètre de 21mm à 17mm afin de laisser de la place pour le ressort intérieur .
Sur la photo, vous voyez aussi une coupelle chromoly, et une zoulie coupelle en titane.

Les ressorts et leurs coupelles

Verdict : 100gr tout rond pour les titanes (12.5gr pièce), contre 192gr pour les chromoly (24gr pièce)

Les sièges de soupapes

AE.jpg

Les sièges de soupapes ne sont pas à oublier lors de la préparation de vos culasses. Un siège est une pièce rapportée et emmanchée dans vos culasses. C'est lui qui résiste à la torture que lui font subir les soupapes. Pour être étanche, on usine une portée à 45°, sorte de chanfrein, pour correspondre à l'angle de portée de la soupape . Cette portée doit être d'au moins 1.5mm pour résister longtemps à l'effort. Mais il est possible d'améliorer le remplissage de la chambre de combustion en ne restant pas avec juste ce chanfrein à 45°. Beaucoup ont certainement entendu parler du "3 angles". Il s'agit de faire des intermédiaires entre le 0° / 45° / 90° comme actuellement. Le 3 angles fait alors :
0° / 30° / 45° / 60° / 90° ou , 0° / 15° / 45° / 75° / 90° . Il y a 3 pentes entre le 0° et le 90°. Le tulipage est bien meilleur, la veine gazeuse restera plus proche de la paroi, dès le début de la levée. Sur cette photo, les taches vertes montrent les angles différents. (oui, je sais, mais c'est loin d'être évident de faire de belles photos... c'est un métier ! :) )

AF.jpg

Les soupapes

Bien sûr, il y a la taille: Bigger is not better ! Enfin, pas en dehors de la piste. En plus, il faut tout de même pas que ça tape dans le bord du cylindre ... :) Sur la photo, c'est limite limite. Il faut dire qu'en 50x40, on fait dans le sérieux ...

AG.jpg

Blague à part, le choix pour notre projet de 40mm à l'admission et 35.5mm à l'échappement nous laisse en très bon potentiel pour le développement et l'avenir. Mais c'est aussi un investissement important. Une paire de culasses coûte malgré tout une jolie petite somme. Il serait possible de rester avec des culasses d'origine, en 35.5mm en adm. et 32mm à l'echap. mais il faudrait alors impérativement travailler correctement ces culasses pour arriver à un bon résultat. Avec des 40x35.5, il n'y aura pas besoin de beaucoup travailler, juste de faire quelques finitions. Mais vous devez maintenant commencer à avoir quelques idées pour que ça marche mieux ! ! ! Pour les soupapes, vous pouvez aussi faire quelques petites améliorations.
Pour l'admission, vous pouvez casser l'angle repéré par le carré, en prenant bien soin de ne pas trop taper dans la portée, qui doit elle aussi de ce côté faire au moins 1.5mm.

AH.jpg

Pour l'échappement, vous pouvez améliorer le tulipage en améliorant l'angle repéré par le rond. Sur certaines soupapes, c'est "carrément" à angle droit à cet endroit. Il ne faudra pas diminuer la distance "d" et laisser au moins 0.5mm pour ne pas trop fragiliser votre soupape. De même, toujours pour ne pas trop fragiliser la soupape, de faites pas le traitement intégral des 2 côtés pour l'admission et l'échappement: En plus, ca ne servirait à rien: les gaz ne vont pas dans le même sens !

La mesure du résultat et conclusion

OK, j'ai tout pigé, mais avant d'investir, je voudrais bien savoir quel va être le gain ! C'est sans doute la question la plus difficile, car elle est souvent subjective, rarement mesurée. Il existe bien un moyen de mesure, un banc de mesure, le Flow bench: Très très pratique, mais il faut bien l'avouer, peu de personnes en possèdent un. De plus, il sert plus à montrer l'amélioration qu'un résultat pur et dur. Une même culasse pouvant avoir des résultats différents (légèrement) d'un banc à l'autre.

AI.jpg Faire un super travail sur des culasses peut générer un gain de plus de 25cv ! Mais il faut aussi rester humble: La première paire de culasses que j'ai préparé, j'étais très content de moi . 5 paires de culasses plus tard, je ne disais que j'avais tout de même fait un travail de sagouin sur la première paire.

Et maintenant, je me dis que ces 5 premières paires sont en peu à oublier ... Mais de tout façon, le jeu en vaut largement la chandelle, car tout est là, dans ces culasses . Bien sûr, tout les petits tours de mains, les petits trucs qui font ensuite la différence sont à acquérir, et sont très difficile à vous montrer via le web, et puis... il faut bien garder quelques secrets :), mais nul doute que ceux qui se lanceront avec sérieux dans l'aventure les attraperont.

L'expérience en se domaine est très importante, et les grands noms qui prônent aujourd'hui la place publique sont dans le métier depuis longtemps, tel Fumio Fukaya, Fred Simpson, etc. etc.

A vous de travailler pour vous en approcher, ou... pour vous offrir leurs services. Vous vous rendrez mieux compte du temps passé, le taux horaire fait très vite grimper l'addition. Je passe environ une dizaine d'heure par conduit et il ne faut pas oublier les pipes. Pipes qu'il ne faut pas négliger: ne prenez pas le pas de gamme ! Bien sûr, aussi, il faut reproduire exactement tout le travail exécuté sur tous les autres conduits, et faire symétrique n'est pas toujours chose aisée...

Je ne parle pas de la façon dont on calcule le rapport volumétrique, la formule se trouve partout, et la mesure est assez simple. Si vous commencez un travail sur des culasses, ce calcul doit être acquis. Si vous souhaitez avoir un article sur ce point, faites le savoir, c'est aussi simple que çà .

Sur cet article, il a été traité quelques sujets qui sont controversés, il ne s'agit que de mon avis, celui auquel je suis arrivé avec mon expérience personnelle et mes lectures, en aucun cas à une vérité à graver dans le marbre. Il a le mérite d'ouvrir les débats et d'exister .

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