FR2924364A1 - Dispositif separateur a cyclone, en particulier pour la separation gaz-huile - Google Patents

Abstract

Ce dispositif à cyclone est destiné en particulier à la séparation diphasique gaz-huile.A l'intérieur du cyclone, est monté mobile verticalement un corps (7) à symétrie de révolution, notamment de forme générale cylindro-conique. Le corps (7) délimite, avec les parois de la zone de cylindrique (2) de captage et/ou de la zone conique (3) de récupération des particules, un interstice annulaire (13) tel que la section de passage soit variable selon la position en hauteur dudit corps (7), elle-même fonction du débit des gaz. La vitesse des gaz peut ainsi rester constante, pour des débits gazeux variables.Application au déshuilage des gaz de carter recyclés d'un moteur à combustion interne.

Description

'2924364 1 La présente invention se rapporte, d'une façon générale, aux dispositifs séparateurs du genre de ceux connus sous la désignation de cyclone . Plus particulièrement, cette invention s'intéresse à un dispositif séparateur à cyclone, destiné à la séparation diphasique gaz-huile dans un moteur à combustion interne, et encore plus spécifiquement un séparateur prévu pour la séparation et la récupération des particules d'huile contenues dans les gaz de carter recyclés d'un moteur à combustion interne notamment de véhicule automobile. Dans le cadre de cette application particulière, on connaît déjà des dispositifs, désignés aussi comme déshuileur ou décanteur d'huile , qui sont intégrés au couvre-culasse d'un moteur à combustion interne et qui comportent d'une part des moyens pour évacuer l'huile liquide entrant dans le couvre-culasse, et d'autre part des moyens permettant d'enlever les particules ou gouttes d'huile des gaz de carter.

Pour réaliser cette séparation diphasique gaz-huile, on peut envisager l'utilisation d'un cyclone, qui exploite l'inertie des particules ou gouttes d'huile en les faisant tourner dans un flux de gaz, pour les projeter par la force centrifuge contre des parois, le long desquelles elles vont s'écouler vers le bas notamment sous l'effet de la gravité pour être finalement récupérées et évacuées. Plus particulièrement, comme l'illustre la figure 1 du dessin schématique annexé, un cyclone classique comporte, de haut en bas : - une entrée supérieure tangentielle 1 des gaz contenant des particules ou gouttes à éliminer, - une zone cylindrique 2 de captage des particules ou gouttes, - une zone conique 3 de récupération des particules ou gouttes, - une zone inférieure 4 d'évacuation et/ou de stockage de la phase liquide séparée. Le cyclone comprend encore à son sommet une ouverture supérieure 5 pour la sortie axiale des gaz, débarrassés des particules ou gouttes qu'ils contenaient, sachant que le trajet 6 des gaz à l'intérieur du cyclone est d'abord descendant et en hélice, puis ascendant et tendant vers une direction axiale. L'efficacité d'un tel cyclone est liée à la vitesse du flux qui le parcourt : plus la vitesse est importante, et plus les particules ou les gouttes possèdent d'inertie et sont donc projetées de façon plus violente et plus certaine contre les parois, en particulier la paroi cylindrique de la zone de captage. Ainsi, pour obtenir l'efficacité maximale, on a intérêt à avoir la vitesse de flux la plus grande possible à l'intérieur du cyclone. Cependant, dans l'application ici considérée, la vitesse du flux dans le cyclone n'est pas constante mais dépend du débit de gaz de carter que produit le moteur à combustion interne, ce débit gazeux étant lui-même variable en fonction de la charge et du régime du moteur. En particulier, pour les demi-charges, le débit des gaz de carter est moindre que pour les pleines charges. De même, pour les bas régimes du moteur, les vitesses sont plus faibles et l'efficacité du cyclone est donc moindre. On peut ainsi considérer qu'à des vitesses élevées il correspond une efficacité élevée, et qu'à des vitesses faibles il correspond une efficacité faible, du moins si les caractéristiques du cyclone sont invariables. Une simple augmentation de la vitesse du flux, en particulier pour les petits débits, ne constituerait pas une solution satisfaisante au problème ici posé : en effet, en imposant une vitesse importante pour les petits débits, notamment par une réduction des dimensions du cyclone, on créerait une perte de charge trop grande pour les grands débits. A l'inverse, en choisissant un dimensionnement qui limiterait la perte 20 de charge pour les gros débits, le cyclone serait encore moins efficace pour les petits débits. Une autre idée de solution consisterait à faire varier la section de l'entrée supérieure des gaz dans le cyclone, en réduisant cette section lorsque le débit gazeux est faible, et en augmentant cette section lorsque le débit 25 gazeux est élevé, de telle sorte que les gaz entrent toujours dans le cyclone à la même vitesse. Ceci pourrait apporter une certaine amélioration, en considérant que la vitesse des gaz à l'entrée du cyclone se conserve sur une partie du trajet de ces gaz à l'intérieur du cyclone. Par contre, les variations brusques de la section créeraient dans ce cas des pertes de charge qui 30 freineraient l'énergie initiale du jet gazeux. Pour résoudre convenablement le problème, et conserver une efficacité constante et si possible élevée pour tout débit gazeux d'entrée, il apparaît donc préférable de ne pas intervenir au niveau de l'entrée des gaz, ou au seul niveau de cette entrée, mais d'imposer une vitesse constante à 35 l'intérieur même du cyclone.

L'invention a donc pour objectif d'éviter les inconvénients précédemment exposés, en fournissant une solution permettant, quel que soit le débit gazeux d'entrée du cyclone, de conserver à l'intérieur du cyclone une vitesse constante du flux, en vue de l'obtention d'une efficacité elle-même constante, sans pertes de charges supplémentaires. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif séparateur à cyclone, prévu en particulier pour la séparation et la récupération des particules d'huile contenues dans les gaz de carter d'un moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile, le dispositif à cyclone comprenant, de haut en bas : - une entrée supérieure tangentielle des gaz, - une zone cylindrique de captage des particules, notamment d'huile, - une zone conique de récupération des particules, notamment de l'huile liquide, - une zone d'évacuation et/ou de stockage de la phase, telle que l'huile, qui a été séparée, tandis qu'une ouverture supérieure de sortie axiale des gaz est prévue, ce dispositif séparateur à cyclone étant essentiellement caractérisé par le fait qu'est monté mobile verticalement et éventuellement rotatif, à l'intérieur du cyclone dans la zone cylindrique de captage et/ou dans la zone conique de récupération des particules, un corps à symétrie de révolution délimitant avec les parois desdites zones un interstice annulaire, tel que la section de passage soit variable selon la position en hauteur du corps à symétrie de révolution, elle-même fonction du débit des gaz, la vitesse des gaz pouvant ainsi rester sensiblement constante pour des débits gazeux variables. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le corps à symétrie de révolution est un corps de forme générale extérieure cylindroconique, dont la partie cylindrique est en correspondance avec la zone cylindrique de captage et dont la partie conique est en correspondance avec la zone conique de récupération des particules, ledit corps étant percé, suivant son axe central, d'un canal interne pour la remontée des gaz vers l'ouverture supérieure de sortie axiale. Avantageusement, le canal interne du corps précité est évasé à son extrémité aval, c'est-à-dire située vers l'ouverture supérieure de sortie axiale ; un tel débouché évasé ralentit le flux gazeux en créant une détente finale qui améliore la perte de charge et augmente les pressions et les vitesses. Ainsi, l'idée à la base de l'invention consiste à placer, en vis-à-vis des parois cylindrique et surtout conique du cyclone, une autre partie cylindroconique mobile formant, selon sa position en hauteur, un interstice annulaire de largeur variable, donc de section variable. Sous l'effet de la perte de charge entre l'entrée et la sortie du cyclone, le corps cylindro-conique se soulève plus ou moins, et il se maintient en position, à l'intérieur du cyclone, sous l'effet de la différence de pression entre l'entrée et la sortie du cyclone, le poids dudit corps cylindro-conique s'équilibrant avec la résultante des forces de pression appliquées sur le bas et le haut de ce corps. Plus particulièrement, pour conserver l'équilibre quel que soit le débit gazeux, le corps se soulève ou s'abaisse, et cet équilibre se fait à une vitesse à peu près constante du flux dans l'interstice, sur son trajet descendant en hélice. Le fonctionnement peut être partiellement comparé sous cet aspect à celui d'un rotamètre à cône, qui est une sorte de débitmètre formé d'un cône placé dans un divergent, la hauteur du cône relativement au divergent étant proportionnelle au débit. En particulier, avec un plus gros débit, la section de passage formée par l'interstice annulaire est plus grande qu'avec un petit débit, le corps cylindro-conique étant davantage soulevé, mais la vitesse du flux et la perte de charge restent pratiquement constantes. On notera que l'invention ne modifie pas la structure extérieure du cyclone, et que le canal interne axial du corps cylindro-conique guide le flux gazeux, à l'intérieur du cyclone, en direction de la sortie elle aussi axiale. Le séparateur à cyclone de l'invention ne nécessite donc pas la création de pièces supplémentaires ou la modification de pièces existantes, si ce n'est l'ajout du corps de révolution cylindro-conique à l'intérieur du cyclone. La conception de cyclone selon l'invention procure encore les avantages suivants : - Le corps cylindro-conique intérieur peut tourner sous l'effet d'entraînement du flux qui l'environne, ce qui peut apporter une amélioration du point de vue de l'écoulement (par analogie avec certains aspirateurs cycloniques qui possèdent une partie intérieure tournante). -Le fait d'avoir une perte de charge constante, quels que soient les débits, permet de simplifier la mise au point au niveau de l'aspiration des gaz de carter déshuilés par la ligne d'admission du moteur, la production de gaz de carter n'étant pas directement fonction de l'aspiration de la ligne. - Le corps cylindro-conique peut aussi amortir les pulsations de la ligne parcourue par les gaz de carter, comme la membrane régulatrice actuelle, ledit corps se déplaçant en fonction du débit d'une manière douce ce qui amortit en particulier les pulsations présentes à l'entrée du déshuileur, en procurant ainsi un lissage des pics de dépression. D'autres effets avantageux peuvent encore être obtenus, par des dispositions additionnelles. Selon l'une de ces dispositions, le corps de forme générale cylindro-conique possède une zone supérieure de plus grand diamètre, apte à recouvrir plus ou moins l'entrée supérieure tangentielle des gaz, selon la position en hauteur dudit corps, une relation étant ainsi établie entre cette position en hauteur et la section d'entrée des gaz ; ainsi, la section de l'entrée est automatiquement adaptée à celle de l'interstice annulaire. Ce mode de réalisation procure donc un meilleur contrôle de la vitesse des gaz, par l'établissement d'une corrélation entre la section d'entrée et la restriction de section de l'interstice annulaire de largeur variable. Avantageusement, l'interstice annulaire, délimité entre la partie conique du corps cylindro-conique et la paroi de la zone de conique de récupération du cyclone, présente une restriction de section en un point intermédiaire de sa hauteur. La restriction de section de l'interstice annulaire résulte d'un profil interne localement concave, notamment en forme de paraboloïde de révolution, de la paroi de la zone conique de récupération. Cette restriction de section augmente la pression dans la zone d'entrée des gaz, ce qui assure une meilleure levée du corps cylindro-conique. De plus, les formes de la partie conique dudit corps, et de la paroi de la zone conique de récupération du cyclone, sont avantageusement adaptées l'une à l'autre pour obtenir une interstice annulaire de section croissante vers le bas, donc vers les plus petits diamètres, de manière à obtenir une vitesse des gaz sensiblement constante à toute hauteur.

Divers facteurs constructifs peuvent influer sur la vitesse (constante quel que soit le débit) des gaz dans l'interstice annulaire. Outre le profil des parties coniques, qui définissent cet interstice, le choix du poids donc de la matière du corps cylindro-conique permet de réduire ou d'augmenter la vitesse, un corps plus lourd provoquant un interstice plus étroit, donc une vitesse plus grande. L'augmentation de poids du corps peut-être avantageusement remplacée par des moyens à ressort, tels qu'un ressort hélicoïdal de compression logé dans la zone cylindrique de captage du cyclone, sollicitant le corps à symétrie de révolution vers le bas.

L'ajustement de la raideur du ressort permet d'influer ici sur la vitesse des gaz. Pour augmenter encore l'efficacité du cyclone, objet de l'invention, celui-ci peut être mécanisé. Ainsi, le cyclone peut comprendre des moyens d'actionnement, tels qu'un vérin pneumatique, commandant la position et le déplacement vertical du corps à symétrie de révolution pour contrôler la vitesse des gaz. Dans le même ordre d'idées, le cyclone peut comprendre des moyens motorisés, tels qu'un moteur électrique, pour l'entraînement en rotation du corps à symétrie de révolution dans un sens correspondant à celui du trajet en hélice des gaz dans l'interstice annulaire. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce dispositif séparateur à cyclone, et illustrant le fonctionnement de celui-ci : Figure 1 (déjà mentionnée) est une vue en coupe verticale d'un cyclone classique ; Figure 2 est une vue en coupe verticale d'un cyclone conforme à la présente invention, dans une première position de fonctionnement (débits élevés) ; Figure 3 est une vue en coupe verticale du cyclone de la figure 2, dans une deuxième position de fonctionnement (débits faibles) ; Figure 4 est une vue en coupe verticale d'une première variante du cyclone selon l'invention ; Figure 5 est une vue en coupe verticale d'une deuxième variante du cyclone selon l'invention ; Figure 6 est une vue en coupe verticale d'une autre forme de réalisation, avec ressort, de ce cyclone. Les figures 2 et 3 représentent un dispositif séparateur à cyclone, dont la partie fixe correspond à la structure d'un cyclone classique et comprend ainsi, de haut en bas : une entrée supérieure tangentielle 1 des gaz contenant l'huile à éliminer, une zone cylindrique 2 de captage des gouttes d'huile, une zone conique 3 de récupération des gouttes d'huile, et une zone inférieure 4 de sortie de l'huile. Le cyclone comporte aussi, à son sommet, une ouverture supérieure 5 de sortie axiale des gaz, à laquelle se raccorde un conduit d'aspiration (non représenté). Selon l'invention, un corps de révolution 7 de forme générale cylindro-conique est monté, mobile verticalement et aussi librement tournant, à l'intérieur du cyclone. Plus particulièrement, le corps 7 possède une partie cylindrique 8, située en correspondance avec la zone cylindrique 2 de captage, et une partie inférieure conique 9, située en correspondance avec la zone conique 3 de récupération. Le corps 7 possède encore une zone supérieure 10 de plus grand diamètre, se situant à hauteur de l'entrée supérieure tangentielle 1. Le corps 7 est percé verticalement, suivant son axe central A, d'un canal interne 11 qui est évasé, comme indiqué en 12, à son débouché supérieur qui se raccorde à l'ouverture supérieure 5 de sorite des gaz. Un interstice annulaire 13 est délimité, notamment en fonctionnement, entre les parois des zones cylindrique 2 et conique 3 du cyclone d'une part, et les parties cylindrique 8 et conique 9 correspondantes du corps 7 d'autre part. En cours de fonctionnement, les gaz arrivant par l'entrée supérieure tangentielle 1 décrivent un trajet 6 d'abord descendant et en hélice, dans l'interstice annulaire 13, jusqu'à la base du corps 3. Puis ces gaz parcourent de bas en haut le canal interne 11 du corps 3, et finalement sortent du cyclone par l'ouverture supérieure 5. Lors du mouvement descendant des gaz, les gouttes d'huile 14 sont projetées contre la paroi de la zone cylindrique 2, puis s'écoulent vers le bas le long de la paroi de la zone conique 3, et enfin recueillies et évacuées dans la zone inférieure 4 du cyclone. Les gaz parcourant le canal 11 et sortant par l'ouverture supérieure 5 sont ainsi débarrassés de l'huile qu'ils contenaient.

Plus particulièrement, comme l'illustre la figure 2, dans le cas de débits gazeux élevés le corps cylindro-conique 7 se trouve soulevé à l'intérieur du cyclone, un équilibre s'établissant ainsi entre le poids du corps 7, les forces de pression P1 s'exerçant sur le bas du corps 7, et les forces de pression P2 s'exerçant sur le haut de ce corps 7. L'interstice annulaire 13 présente alors une largeur importante. Par contre, comme l'illustre la figure 3, dans le cas de débits gazeux faibles le corps cylindro-conique 7 se trouve abaissé, avec modification correspondante de la largeur de l'interstice annulaire 13, le dispositif se régulant ainsi automatiquement et de telle sorte que la vitesse des gaz reste sensiblement constante, pour tout débit, dans l'interstice annulaire 13. On notera que, dans ce fonctionnement, la zone supérieure 10 de plus grand diamètre du corps cylindro-conique 3 vient recouvrir plus ou moins l'entrée supérieure tangentielle 1 des gaz, en adaptant ainsi la section utile de cette entrée 1 à la section de passage variable offerte par l'interstice annulaire 13. Dans la mesure où l'entrée 1 est de forme rectangulaire, la section de passage est proportionnelle à la hauteur de soulèvement du corps 7.

Dans la forme de réalisation la plus simple, telle qu'illustrée par les figures 2 et 3, la partie conique 9 du corps 7 possède une forme parfaitement conique, de même que la paroi de la zone conique 3 de récupération de gouttes d'huile, les deux parties coniques étant sensiblement parallèles. Dans une première variante, représentée par la figure 4, la paroi de la zone conique 3 de récupération des gouttes d'huile possède un profil interne localement concave, notamment un profil parabolique, de manière que l'interstice annulaire 13 présente, en un point intermédiaire de sa hauteur, une certaine restriction de section. Cette restriction augmente la pression du côté de l'arrivée des gaz, et assure une levée plus forte du corps 3.

Dans une deuxième variante, représentée séparément sur la figure 5 (mais pouvant parfaitement être combinée avec la précédente), la paroi de la zone conique 3 de récupération des gouttes d'huile et la partie conique 9 du corps 7 possèdent des profils qui divergent vers le bas, de telle sorte que la largeur de l'interstice annulaire 13 soit croissante de haut en bas, donc vers les plus petits diamètres de cet interstice 13. Grâce à cette configuration, la vitesse des gaz dans leur trajet descendant est maintenue sensiblement constante, à toute hauteur. Enfin, la figure 6 représente une troisième variante, elle aussi combinable avec les deux précédentes, dans laquelle un ressort hélicoïdal de compression 15 est monté à l'intérieur du cyclone, dans la partie supérieure, et sollicite le corps cylindro-conique 7 de haut en bas, pour augmenter la vitesse du flux gazeux dans l'interstice annulaire 13. Cette figure 6 montre aussi une variante de forme de l'entrée supérieure tangentielle 1 des gaz, ici de forme tropézoïdale et non pas rectangulaire, de telle sorte que la section de passage n'est plus proportionnelle à la hauteur de soulèvement du corps 7, ce qui permet une certaine correction. Comme on le conçoit aisément, le ressort 15 pourrait être simplement remplacé par une réalisation plus lourde du corps cylindroconique 7, notamment une réalisation en une matière plus dense, pour un même volume. A cet égard, on notera que le corps 7 est réalisable en diverses matières plus ou moins denses, en particulier des matières injectables ou moulables : métal tel que plomb, alliage métallique tel qu'alliage à base de zinc dit zamac , matière synthétique telle que polyamide ou aramide, éventuellement avec charge métallique. Dans une autre variante, non illustrée, un actionneur du genre vérin pourrait aussi être utilisé pour exercer une force verticale contrôlée sur le corps 3. Comme il va de soi, et comme il résulte de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif séparateur à cyclone qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe, quels que soient notamment les détails de forme du cyclone et du corps logé dans celui-ci, et quelle que soit la nature des fluides ou matières traités par le dispositif. Entrent également dans le cadre de la présente invention tous aménagements additionnels, tels que l'ajout de butées limitant la course axiale du corps précité et/ou amortissant l'arrivée en fin de course de ce corps.35

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif séparateur à cyclone prévu en particulier pour la séparation et la récupération des particules d'huile contenues dans les gaz de carter recyclés d'un moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile, le dispositif à cyclone comprenant, de haut en bas : - une entrée supérieure tangentielle (1) des gaz, - une zone cylindrique (2) de captage des particules, notamment 10 d'huile, - une zone conique (3) de récupération des particules, notamment de l'huile liquide, - une zone (4) d'évacuation et/ou de stockage de la phase, telle que l'huile, qui a été séparée, 15 tandis qu'une ouverture supérieure (5) de sortie axiale des gaz est prévue, caractérisé en ce qu'est monté mobile verticalement et éventuellement rotatif, à l'intérieur du cyclone dans la zone cylindrique (2) de captage et/ou dans la zone conique (3) de récupération des particules, un 20 corps (7) à symétrie de révolution délimitant avec les parois desdites zones (2, 3) un interstice annulaire (13), tel que la section de passage soit variable selon la position en hauteur du corps (7) à symétrie de révolution, elle-même fonction du débit des gaz, la vitesse des gaz pouvant ainsi rester sensiblement constante pour des débits gazeux variables. 25

2. Dispositif séparateur à cyclone selon revendication 1, caractérisé en ce que le corps (7) à symétrie de révolution est un corps de forme générale cylindro-conique, dont la partie cylindrique (8) est en correspondance avec la zone cylindrique (2) de captage et dont la partie 30 conique (9) est en correspondance avec la zone conique (3) de récupération des particules, ledit corps (7) étant percé, suivant son axe central (A), d'un canal interne (11) pour la remontée des gaz vers l'ouverture supérieure (5) de sortie axiale. 35

3. Dispositif séparateur à cyclone selon la revendication 2, caractérisé en ce que le canal interne (11) du corps (7) précité est évasé (12) .2924364 11 à son extrémité aval, c'est-à-dire située vers l'ouverture supérieure (5) de sortie axiale.

4. Dispositif séparateur à cyclone selon la revendication 2 ou 3, 5 caractérisé en ce que le corps (7) de forme générale cylindro-conique possède une zone supérieure (10) de plus grand diamètre apte à recouvrir plus ou moins l'entrée supérieure tangentielle (1) des gaz, selon la position en hauteur dudit corps (7), une relation étant ainsi établie entre cette position en hauteur et la section d'entrée des gaz.

5. Dispositif séparateur à cyclone selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'interstice annulaire (13), délimité entre la partie conique (9) dudit corps (7) et la paroi de la zone conique (3) de récupération, présente une restriction de section en un point intermédiaire de sa hauteur.

6. Dispositif séparateur à cyclone selon la revendication 5, caractérisé en ce que la restriction de l'interstice annulaire (13) résulte d'un profil interne localement concave, notamment en forme de paraboloïde de révolution, de la paroi de la zone conique (3) de récupération.

7. Dispositif séparateur à cyclone selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les formes de la partie conique (9) dudit corps (7), et de la paroi de la zone conique (3) de récupération, sont adaptées l'une à l'autre pour obtenir un interstice annulaire (13) de section croissante vers le bas, donc vers les plus petits diamètres, de manière à obtenir une vitesse des gaz sensiblement constante à toute hauteur.

8. Dispositif séparateur à cyclone selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sont prévus des moyens à ressort, tel qu'un ressort hélicoïdal de compression (15) logé dans la zone de cylindrique (2) de captage, sollicitant le corps (7) à symétrie de révolution vers le bas.

9. Dispositif séparateur à cyclone selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyensd'actionnement, tels qu'un vérin pneumatique, commandant la position et le déplacement vertical du corps (7) à symétrie de révolution, pour contrôler la vitesse des gaz.

10. Dispositif séparateur à cyclone selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens motorisés, tels qu'un moteur électrique, pour l'entraînement en rotation du corps (7) à symétrie de révolution dans un sens correspondant à celui du trajet en hélice des gaz dans l'interstice annulaire (13).10