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#1 25-07-2016 17:30:56

Audi-Tech
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Le compresseur Roots

Informations de base relatives aux compresseurs Roots

Les compresseurs Roots et leur technique de suralimentation mécanique retrouvent une certaine actualité chez Audi. Nous nous proposons, dans ce chapitre, de vous fournir des informations de base sur la conception et le développement de cette technique.

principe-de-base.png

Qu’est-ce qu’un compresseur Roots ? De par son architecture, c’est une machine à rotors à lobes, qui fonctionne sans compression interne, selon le
principe du compresseur volumétrique.

Le compresseur se compose d’un carter, dans lequel tournent deux arbres (rotors).
L’entraînement des deux rotors est mécanique, depuis le vilebrequin par exemple. Les deux rotors sont synchronisés par un engrenage situé à l’extérieur du carter et présentent un sens de rotation contraire. Ils s’engrènent conjointement.

Lors de la conception, une bonne étanchéité des rotors entre eux et par rapport au carter est importante. La difficulté est la suivante : dans la mesure du possible, aucun frottement ne doit être généré.
En service (rotation des rotors), l’air est refoulé entre les lobes et la paroi extérieure, de l’entrée d’air (côté aspiration) vers le côté sortie d’air (côté
pression). La pression de l’air refoulé est générée par reflux.

Différents types

differents-types.png

Les compresseurs historiques étaient dotés de rotors à deux lobes.

Les versions modernes sont en général à trois lobes et hélicoïdales. Cela permet d’obtenir une pression de suralimentation plus élevée, et surtout, plus constante (amélioration du rendement).

Évolution historique

Le système doit son nom aux frères Philander et Francis Roots, qui en ont fait breveter le principe dès 1860.
À l’époque, les compresseurs Roots étaient essentiellement utilisés comme souffleries dans les hauts-fourneaux, mais l’on notait également des
applications dans d’autres secteurs industriels. Gottlieb Daimler a été le premier à monter, en 1900, un compresseur Roots sur une voiture. Dans les années vingt et trente, des compresseurs Roots ont été mis en oeuvre dans le sport automobile.

Particularité : on reconnaissait aisément ces moteurs au « sifflement » de leur compresseur.
La figure ci-dessous présente un compresseur Roots qui équipait la voiture de course Grand Prix type C d’AUTO UNION en 1936.
Avec le développement de matériaux résistant mieux aux hautes températures, les compresseurs Roots ont perdu de leur importance au profit du
turbocompresseur. De nos jours, les compresseurs Roots sont toujours utilisés, dans les véhicules de sport notamment.

À la différence du moteur V6 TFSI de 3,0l, le conditionnement du mélange se trouvait encore, sur la voiture de course d’AUTO UNION, en amont du compresseur Roots.
Cette disposition avait été retenue pour des raisons de conception car l’on ne disposait d’une dépression suffisante pour aspirer le carburant dans le
carburateur qu’en amont du compresseur Roots. Il y avait donc compression d’un mélange air carburant dans le compresseur Roots.

archive-auto-union.png

moteur-16-cylindres.jpeg

Module de suralimentation

Les compresseurs Roots modernes, comme celui mis en oeuvre chez Audi, sont des compresseurs hélicoïdaux.
Contrairement à la génération antérieure à rotors à trois lobes, le compresseur Roots d’Audi se caractérise par des rotors à quatre lobes. Chaque
lobe des deux rotors est orienté de 160° par rapport à l’axe longitudinal. Cela exerce une influence positive sur la continuité et les effets pulsatoires du refoulement de l’air.
Le fabricant du compresseur Roots équipant le moteur V6 TFSI de 3,0l est la société EATON. Cette société a une expérience de longue date dans la fabrication des compresseurs Roots.


Architecture

Le module de suralimentation est entièrement logé à l’intérieur du V du moteur. Cela permet de réaliser un moteur plat, répondant aux exigences de la protection des piétons. Le poids total du module est de 18 kg (sans remplissage de liquide de refroidissement).

architecture_20160721-1616.jpeg

Carter

Le carter en fonte en une partie renferme le compresseur Roots, un volet by-pass à commande électrique et, pour chaque banc de cylindres, un
refroidisseur d’air. Les ouvertures de sortie d’air en direction des différents cylindres se trouvent sur la face inférieure.
Les languettes de transport vissées sur le module de suralimentation servent à la suspension du moteur lors de la dépose et de la repose.

carter_20160721-1618.png

Entraînement

Le compresseur Roots est entraîné via la seconde piste de la poulie par le vilebrequin.
L’entraînement est permanent et n’est pas activé ni désactivé par un embrayage électromagnétique.
Les deux commandes sont découplées des vibrations du vilebrequin par une couche caoutchouc, dans l’amortisseur de vibrations commun.
Cela a permis d’améliorer le comportement de résonance à faibles régimes et à pleine charge. Effet secondaire : la sollicitation de la courroie a été nettement réduite. La démultiplication entre vilebrequin et module de suralimentation est de 1:2,5. Cela autorise un régime maximal de 18 000 tr/min.

entrainement.png

Le couplage du compresseur Roots est assuré par l’élément de découplage (SSI = Single Spring Isolator). Cet élément de découplage est intégré
dans le carter de commande du module de suralimentation.
Son rôle est d’optimiser les allures de la puissance en fonction des alternances de charge.
Cela se traduit par un excellent silence de fonctionnement (amélioration de l’acoustique) et une augmentation de la longévité de la courroie
d’entraînement. La périodicité de remplacement de la courroie multipistes est, dans le cas du compresseur Roots, de 120 000 km.

couplage-du-compresseur.png

Fonctionnement

Un élément élastique est monté dans le carter de commande du compresseur Roots. Un ressort de torsion y est guidé par une douille primaire et une douille secondaire. Le ressort transmet le couple d’entraînement de la poulie à l’étage de pignon.
Les douilles primaire et secondaire se chargent de limiter la course des oscillations dans le sens de rotation et dans le sens opposé à la rotation du
compresseur Roots.

L’élément élastique a été défini de sorte à être suffisamment « souple » pour assurer un découplage efficace. Mais il doit aussi, en mode dynamique (c’est-à-dire en cas d’alternances de charge), éviter un positionnement brutal en butée, pouvant provoquer des bruits parasites.

Durant la poursuite de l’entraînement, le second rotor est commandé par une paire de pignons.
Les deux rotors fonctionnent donc en parfaite synchonicité tout en présentant un sens de rotation contraire. Un très grand nombre de dents limite la transmission de vibrations. Les pignons sont emmanchés à la presse sur les arbres des rotors.

Cet emmanchement à la presse est réalisé chez le fabricant à l’aide de gabarits spéciaux. L’adaptation doit être très rigoureuse car sinon,
les lobes des rotors risquent de se toucher. C’est pourquoi il n’est pas autorisé, lors des opérations effectuées par le Service, de dissocier les
pignons des arbres. La tête menante est remplie d’une huile spéciale.

alimentation-en-air.jpeg

Rotors

Les rotors présentent une torsion en vrille de 160°. Les deux rotors tournent dans des roulements exempts d’entretien. Pour que l’usure soit aussi faible que possible durant la phase de rodage, les rotors sont revêtus d’une couche à teneur en graphite.
Le revêtement garantit un étanchement optimal contre les fuites d’air (rotor/rotor et rotor/alésage du rotor) – d’où un gain de puissance.

rotors.jpg

Régulation du flux d’air et de la pression de suralimentation

Le compresseur Roots est entraîné en permanence. En l’absence de régulation de la pression de suralimentation, le compresseur Roots générerait toujours le flux d’air maximal pour le régime considéré et donc la pression de suralimentation maximale.

Comme on n’a pas besoin d’air de suralimentation à tous les états de service, une accumulation d’air trop élevée se produirait côté pression du compresseur, entraînant une perte de puissance inutile du moteur. Une possibilité de réglage de la pression de suralimentation est donc indispensable.
Sur d’autres systèmes, l’entraînement par courroie est coupé via un embrayage électromagnétique en vue de limiter la pression de suralimentation.

Sur le moteur V6 TFSI de 3,0l, il est fait appel, pour la régulation de la pression de suralimentation, à l’unité de commande de volet de régulation J808. Elle est vissée dans le module de suralimentation et relie le côté pression et le côté admission.

L’ouverture d’un volet de by-pass provoque le réacheminement d’une partie du volume d’air refoulé via le by-pass ouvert au côté admission du compresseur Roots. Le fonctionnement du volet de by-pass s’apparente à celui d’une soupape de décharge sur un moteur à essence équipé d’un turbocompresseur.

Fonctions de l’unité de commande de volet de régulation J808 :
– régulation de la pression de suralimentation définie par le calculateur du moteur
– limitation de la pression de suralimentation maximale à 1,9 bar (pression absolue

Fonctionnement

Pleine charge (volet de by-pass fermé)

À pleine charge, l’air est refoulé en direction du moteur via le papillon, le compresseur Roots et le refroidisseur d’air.

pleine-charge_20160721-1624.png

Charge partielle (volet de by-pass ouvert)

À charge partielle, au ralenti et en décélération, une partie du volume d’air refoulé est réacheminé au côté admission via le by-pass ouvert.

charge-partiell.png


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