WO2009098399A1 - Dispositif separateur a cyclone pour la separation gaz-huile - Google Patents

Dispositif separateur a cyclone pour la separation gaz-huile Download PDF

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WO2009098399A1
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conical
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cyclone
zone
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PCT/FR2008/001652
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Inventor
Pascal Guerry
Antony Nollevaux
Thierry Fohrer
Hervé Martinengo
Original Assignee
Mgi Coutier
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions
    • B04C5/103—Bodies or members, e.g. bulkheads, guides, in the vortex chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B01D45/16—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces generated by the winding course of the gas stream, the centrifugal forces being generated solely or partly by mechanical means, e.g. fixed swirl vanes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/02—Construction of inlets by which the vortex flow is generated, e.g. tangential admission, the fluid flow being forced to follow a downward path by spirally wound bulkheads, or with slightly downwardly-directed tangential admission
    • B04C5/04—Tangential inlets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/12—Construction of the overflow ducting, e.g. diffusing or spiral exits
    • B04C5/13—Construction of the overflow ducting, e.g. diffusing or spiral exits formed as a vortex finder and extending into the vortex chamber; Discharge from vortex finder otherwise than at the top of the cyclone; Devices for controlling the overflow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
    • F01M13/04—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
    • F01M2013/0422—Separating oil and gas with a centrifuge device
    • F01M2013/0427—Separating oil and gas with a centrifuge device the centrifuge device having no rotating part, e.g. cyclone

Definitions

  • the invention relates generally to separating devices of the type known as "cyclone". More particularly, this invention is concerned with a cyclone separator device for the two-phase gas-oil separation in an internal combustion engine, and even more specifically a separator provided for the separation and recovery of the liquid liquid particles contained therein. in the crankcase gases recycled from an internal combustion engine, especially a motor vehicle.
  • de-oiler or “oil decanter”
  • oil decanter which are integrated into the cylinder head cover of an internal combustion engine and which comprise on the one hand means for discharging the liquid oil entering the cylinder head cover, and secondly means provided for removing the particles or drops of oil crankcase gases.
  • a conventional cyclone designed to separate a liquid phase from a gaseous phase comprises, from top to bottom: - a tangential upper inlet 1 of the gases containing liquid particles or drops to be removed,
  • a lower zone 4 for evacuating and / or storing the separated liquid phase.
  • the cyclone still usually comprises at its top an upper opening 5 for the axial exit of the gases, separated from the particles or drops which they contained, the path 6 of the gases inside the cyclone being first descending and helically, then ascending and tending towards an axial direction.
  • the effectiveness of such a cyclone is related to the speed of the gaseous flow that passes through it: the greater the speed of the flow, and the more the liquid particles or the drops have a strong inertia and are projected more violently and more against the walls, in particular the cylindrical wall of the catchment area.
  • the speed of the gaseous flow in the cyclone is not constant but it depends on the flow of crankcase gas produced by the internal combustion engine, this gas flow being itself variable as a function of load and engine speed. In particular, for the half-loads, the flow of the crankcase gases is less than for the full loads. Similarly, for low engine speeds, the gas speeds are lower and the efficiency of the cyclone is lower.
  • Another idea of solution would be to vary the section of the upper gas inlet in the cyclone, reducing this section when the gas flow is low, and increasing this section when the gas flow is high, so that the gas always enter the cyclone at the same speed. This could bring some improvement, considering that the velocity of the gases at the entrance of the cyclone is preserved on part of the path of these gases inside the cyclone. On the other hand, the abrupt variations of the section would in this case create pressure losses which would slow down the initial energy of the jet of gas.
  • the object of the invention is therefore to avoid the drawbacks previously set forth, by providing a solution which makes it possible, irrespective of the gaseous flow rate at the cyclone inlet, to keep inside the cyclone a constant speed of the flow, with a view to of obtaining an efficiency itself constant without additional loss of loads.
  • the subject of the invention is a cyclone separator device, provided in particular for separating and recovering liquid oil particles contained in the recycled crankcase gases of an internal combustion engine, especially a motor vehicle.
  • the cyclone device comprising, from top to bottom:
  • this cyclone separator device being essentially characterized by the fact that movable vertically and optionally rotatably, inside the cyclone in the cylindrical zone for collecting the oil and / or in the conical zone for recovering the oil, a body with symmetry of revolution delimiting with the walls of said zones an interstice annular, such that the gas passage section is variable in the self-adjustable position in height of the aforementioned body, itself a function of the gas flow, the gas velocity can thus remain substantially constant for variable gas flow rates.
  • cyclones are already known, in particular of the "hydrocyclone" type, that is to say in which the liquid phase is predominant, in which a central body of cylindrical shape or conical or otherwise, symmetrical of revolution, can be adjusted in axial position (see patent documents EP 1180400 and FR 2588779, incidentally DE 1292479).
  • the height position of the central body is initially mechanically adjusted manually, and remains unchanged during operation; said body is not free to move vertically, taking of itself a position of variable equilibrium by a self-adjusting effect.
  • the body with a symmetry of revolution is a generally cylindro-conical outer body, the cylindrical portion of which is in correspondence with the cylindrical area for collecting the oil and the conical portion of which is in correspondence with the conical zone for recovering the oil, said body being pierced, along its central axis, with an internal channel for raising the gases towards the upper axial outlet opening of the gases.
  • the internal channel of the aforementioned body is flared at its downstream end, that is to say situated towards the upper axial outlet opening of the gases; such a flared outlet slows the gas flow by creating a final relaxation which improves the pressure drop and increases the pressures and speeds.
  • the invention consists in placing, opposite the cylindrical and especially conical walls of the cyclone, another movable cylindrical-conical part forming, according to its position in height, an annular gap of variable width, thus of variable cross section. .
  • the cylindro-conical body rises more or less, and it remains in a position of equilibrium, inside the cyclone, under the effect of the pressure difference between the inlet and the outlet of the cyclone, the weight of said cylindro-conical body being balanced with the resultant of the pressure forces applied to the lower part and the upper part of this body.
  • the body raises or lowers, and this equilibrium is established while maintaining a substantially constant velocity of the gaseous flow in the interstice, all along its path. descending helically.
  • the operation can be partially compared, in this aspect, with that of a cone rotameter, which is a kind of flowmeter formed of a cone placed in a divergent, the height of the cone relative to the divergent being proportional to the flow.
  • a cone rotameter which is a kind of flowmeter formed of a cone placed in a divergent, the height of the cone relative to the divergent being proportional to the flow.
  • the passage section formed by the annular gap is larger than in the case of a small flow, the body cylindro-conical being raised more but the speed of the flow and the loss of charge remaining practically constant.
  • the invention does not modify the external structure of the cyclone, and the axial internal channel of the cylindro-conical body guides the gaseous flow, inside the cyclone, towards the outlet also axial.
  • the cyclone separator of the invention therefore requires neither the creation of additional parts nor the modification of existing parts, only being necessary the addition of the cylindro-conical body of revolution inside the cyclone.
  • the inner cylindrical-conical body can rotate under the effect of driving the flow that surrounds it, which can provide an improvement in terms of flow (with an analogy with some cyclonic vacuums that have a rotating inner part ).
  • the cylindro-conical body can also damp the pulsations of the line traversed by the crankcase gases, such as the current regulating membrane, said body moving according to the flow rate in a "soft" manner which dampens in particular the pulsations present at the inlet of the de-oiler, thus providing a smoothing of the peaks of depression.
  • the generally cylindro-conical shaped body has an upper zone of greater diameter, capable of covering more or less the upper tangential inlet of the gases, depending on the height position of said body, a relationship being thus established between this position in height and the inlet section of the gases; thus, the section of the input is automatically adapted to that of the annular gap.
  • This embodiment therefore provides better control of the speed of the gases, by establishing a correlation between the input section on the one hand and the section restriction of the annular gap of variable width on the other hand.
  • the annular gap defined between the conical portion of the cylindro-conical body and the wall of the oil recovery conical zone has a section restriction at an intermediate point of its height.
  • the restriction of the section of the annular gap results for example from a locally concave internal profile, particularly in the form of a paraboloid of revolution, of the wall of the conical zone for recovering the oil.
  • This section restriction increases the pressure in the gas inlet zone, which ensures a better lifting of the cylindro-conical body.
  • the shapes of the conical portion of said body, and of the wall of the cyclone recovery conical zone are advantageously adapted to one another to obtain an annular gap of increasing section downwards, thus towards the smaller diameters, so as to obtain a substantially constant gas velocity at any height.
  • the cyclone may further comprise actuating means, such as a pneumatic cylinder, controlling the position and the vertical displacement of the symmetry of revolution body to control the speed of the gases.
  • actuating means such as a pneumatic cylinder
  • the cyclone may comprise motorized means, such as an electric motor, for driving in rotation the rotationally symmetrical body in a direction corresponding to that of the helical path of the gases in the annular gap.
  • Figure 1 is a vertical sectional view of a conventional cyclone
  • Figure 2 is a vertical sectional view of a cyclone according to the present invention, in a first operating position corresponding to high flow rates;
  • Figure 3 is a vertical sectional view of the cyclone of Figure 2, in a second operating position corresponding to low flow rates;
  • Figure 4 is a vertical sectional view of a first variant of the cyclone according to the invention.
  • Figure 5 is a vertical sectional view of a second variant of the cyclone according to the invention.
  • Figure 6 is a vertical sectional view of another embodiment of this cyclone, provided with a spring.
  • FIGS. 2 and 3 show a cyclone separator device, whose fixed part corresponds to the structure of a conventional cyclone and comprises, from top to bottom: a tangential upper inlet 1 of the gases containing the oil to be removed, a cylindrical zone 2 capture of oil drops, a conical zone 3 for the recovery of oil drops, and a lower zone 4 of the oil outlet.
  • the cyclone also has, at its summit, an upper opening 5 of axial gas outlet, to which is connected a suction duct (not shown).
  • a body of revolution 7 of generally cylindro-conical shape is mounted, movable vertically and also freely rotating, inside the cyclone.
  • the body 7 has a cylindrical portion 8, located in correspondence with the cylindrical zone 2 capture, and a conical lower portion 9, located in correspondence with the conical zone 3 of recovery.
  • the body 7 still has an upper zone 10 more large diameter, located at the height of the upper tangential entry 1.
  • the body 7 is drilled vertically, along its central axis A, an inner channel 11 which is flared at its upper outlet 12 connected to the upper opening 5 of exit of gases.
  • An annular gap 13 is delimited, particularly in operation, between the walls of the cylindrical zone 2 and conical 3 of the cyclone on the one hand, and the cylindrical portions 8 and conical 9 corresponding body 7 on the other hand.
  • the gases arriving via the upper tangential inlet 1 describe a path 6 first descending and helically, in the annular gap 13, to the base of the body 3. Then these gases travel from bottom to bottom. the internal channel 11 of the body 3, and finally exit the cyclone through the upper opening 5.
  • the oil drops 14 are projected against the wall of the cylindrical zone 2, then they flow downwards along the wall of the conical zone 3, and finally they are collected and discharged into the lower zone 4 of the cyclone.
  • the gases flowing through the channel 11 and out through the upper opening 5 are thus separated from the oil they contained.
  • the cylindro-conical body 7 in the case of high gas flows, the cylindro-conical body 7 is raised inside the cyclone, an equilibrium thus being established between the weight of the body 7, the forces of the pressure P1 exerted on the lower part of the body 7, and the pressure forces P2 exerted on the upper part of this body 7.
  • the annular gap 13 then has a large width.
  • the cylindro-conical body 7 is lowered, with corresponding modification of the width of the annular gap 13, the device thus "regulating" automatically and such that the velocity of the gases remains substantially constant, irrespective of the flow rate, in the annular gap 13.
  • the larger zone 10 of larger diameter of the cylindro-conical body 3 more or less covers the upper tangential inlet 1 of the gases, thus adapting the useful section of this inlet 1 to the variable passage section offered by the Annular gap 13.
  • the passage section is proportional to the lifting height of the body 7.
  • the conical portion 9 of the body 7 has a perfectly conical shape, as does the wall of the conical zone 3 for collecting oil drops, both conical portions being substantially parallel.
  • the conical zone 3 for collecting the oil drops has a locally concave internal profile, in particular a parabolic profile, so that the annular gap 13 has, at an intermediate point in its height, a certain section restriction. This restriction increases the pressure on the side of the arrival of the gases, and it causes a stronger lifting of the body 3.
  • the wall of the conical zone 3 for collecting the drops of oil and the conical part 9 of the body 7 have profiles which diverge towards the bottom, so that the width of the annular gap 13 is increasing from top to bottom, therefore to the smaller diameters of this gap 13. With this configuration, the speed of the gases in their downward path is kept substantially constant, at any height.
  • FIG. 6 represents a third variant, which can be combined with the two previous ones, in which a compression coil spring 15 is mounted inside the cyclone, in the upper part, and urges the cylindro-conical body 7 up and down. to increase the velocity of the gaseous flow in the annular gap 13.
  • This FIG. 6 also shows a variant of the shape of the upper tangential inlet 1 of the gases, which is here of trapezoidal and not rectangular shape, so that the passage section is no longer proportional to the lifting height of the body 7, which allows some correction.
  • the spring 15 could simply be replaced by a heavier embodiment of the cylindro-conical body 7, in particular an embodiment made of a denser material, for the same volume.
  • the body 7 is feasible in various more or less dense materials, in particular materials that can be injected or molded: metal such as lead, metal alloy such as zinc-based alloy called "zamac", synthetic material such as polyamide or aramid , possibly including a metal charge.
  • metal such as lead, metal alloy such as zinc-based alloy called "zamac”, synthetic material such as polyamide or aramid , possibly including a metal charge.
  • an actuator of the jack type could also be used to exert a controlled vertical force on the body 3 to position it vertically to the desired height.

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Abstract

Ce dispositif à cyclone réalise la séparation diphasique gaz-huile, pour le déshuilage des gaz de carter recyclés d'un moteur à combustion interne. 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 de l'huile liquide, un interstice annulaire (13) tel que la section de passage soit variable selon la position auto-ajustable en hauteur du corps (7), en fonction du débit des gaz. La vitesse des gaz reste ainsi constante, pour des débits gazeux variables.

Description

DISPOSITIF SEPARATEUR A CYCLONE POUR LA SEPARATION GAZ-HUILE
L'invention concerne, d'une façon générale, les 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 liquides d'huile contenues dans les gaz de carter recyclés d'un moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile.
Il existe 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 prévus pour évacuer l'huile liquide entrant dans le couvre-culasse, et d'autre part des moyens prévus pour 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, afin de les projeter par la force centrifuge contre des parois, le long desquelles elles s'écouleront vers le bas notamment sous l'effet de la gravité pour être finalement récupérées et évacuées.
Comme l'illustre la figure 1 du dessin schématique annexé, un cyclone classique conçu pour séparer une phase liquide d'une phase gazeuse comporte, de haut en bas : - une entrée supérieure tangentielle 1 des gaz contenant des particules liquides 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 habituellement à son sommet une ouverture supérieure 5 pour la sortie axiale des gaz, séparés des particules ou gouttes qu'ils contenaient, le trajet 6 des gaz à l'intérieur du cyclone étant 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 gazeux qui le parcourt : plus la vitesse du flux est importante, et plus les particules liquides ou les gouttes possèdent une inertie forte 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 une efficacité maximale, on devrait avoir une vitesse du flux gazeux la plus grande possible à l'intérieur du cyclone. Cependant, dans l'application ici considérée, la vitesse du flux gazeux dans le cyclone n'est pas constante mais elle 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 de gaz sont plus faibles et l'efficacité du cyclone est donc moindre. On peut ainsi considérer qu'à des vitesses élevées du flux gazeux il correspond une efficacité élevée du cyclone, et qu'à des vitesses faibles du flux gazeux il correspond une efficacité faible du cyclone, du moins si les caractéristiques géométriques 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 du cyclone qui limiterait la perte 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 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 est conservée 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 freineraient l'énergie initiale du jet gazeux. Pour résoudre convenablement le problème ici posé donc pour conserver une efficacité constante et si possible élevée du cyclone 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 du flux à l'intérieur même du cyclone, par une régulation adaptée.
L'invention a donc pour objectif d'éviter les inconvénients précédemment exposés, en fournissant une solution permettant, quel que soit le débit gazeux à l'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 liquides 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 des gaz,
- une zone cylindrique de captage de l'huile,
- une zone conique de récupération des particules, notamment de l'huile liquide,
- une zone d'évacuation et/ou de stockage de 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 de l'huile et/ou dans la zone conique de récupération de l'huile, un corps à symétrie de révolution délimitant avec les parois desdites zones un interstice annulaire, tel que la section de passage des gaz soit variable selon la position auto-ajustable en hauteur du corps précité, elle-même fonction du débit des gaz, la vitesse des gaz pouvant ainsi rester sensiblement constante pour des débits gazeux variables.
Certes, on connaît déjà des cyclones en particulier du type « hydrocyclone » c'est-à-dire dans lesquels la phase liquide est prépondérante, dans lesquels un corps central de forme cylindrique ou conique ou autre, à symétrie de révolution, peut être réglé en position axiale (voir les documents de brevets EP 1180400 et FR 2588779, accessoirement DE 1292479). Toutefois, dans ces réalisations, la position en hauteur du corps central est initialement réglée mécaniquement de façon manuelle, et reste invariable en cours de fonctionnement ; ledit corps n'est pas libre de se déplacer verticalement, en prenant de lui-même une position d'équilibre variable par un effet d'auto-ajustement.
Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le corps à symétrie de révolution est un corps de forme générale extérieure cylindro- conique, dont la partie cylindrique est en correspondance avec la zone cylindrique de captage de l'huile et dont la partie conique est en correspondance avec la zone conique de récupération de l'huile, ledit corps étant percé, suivant son axe central, d'un canal interne pour la remontée des gaz vers l'ouverture supérieure de sortie axiale des gaz. 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 des gaz ; 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'invention consiste à placer, en vis-à-vis des parois cylindrique et surtout conique du cyclone, une autre partie cylindro-conique 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 dans une position d'équilibre, 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 la partie basse et la partie haute 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 s'établit avec maintien d'une vitesse sensiblement constante du flux gazeux dans l'interstice, sur tout 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, dans le cas d'un plus gros débit, la section de passage formée par l'interstice annulaire est plus grande que dans le cas d'un petit débit, le corps cylindro-conique étant davantage soulevé mais la vitesse du flux et la perte de charge restant pratiquement constantes.
L'invention ne modifie pas la structure extérieure du cyclone, et 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 ni la création de pièces supplémentaires, ni la modification de pièces existantes, seul étant nécessaire 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 (avec une 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 relative à l'aspiration des gaz de carter déshuilés par la ligne d'admission du moteur à combustion interne, 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 d'une part et la restriction de section de l'interstice annulaire de largeur variable d'autre part.
Avantageusement, l'interstice annulaire, délimité entre la partie conique du corps cylindro-conique et la paroi de la zone de conique de récupération de l'huile, présente une restriction de section en un point intermédiaire de sa hauteur. La restriction de section de l'interstice annulaire résulte par exemple d'un profil interne localement concave, notamment en forme de paraboloïde de révolution, de la paroi de la zone conique de récupération de l'huile. 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 (sensiblement constante quel que soit le débit) des gaz dans l'interstice annulaire. En plus du 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 de l'huile, qui sollicitent le corps à symétrie de révolution vers le bas pour l'amener en position d'équilibre L'ajustement de la raideur du ressort permet d'influer ici sur la vitesse des gaz.
Certes, par le brevet US 5947300, on connaît déjà un cyclone dans lequel un corps interne mobile, en forme de piston, est sollicité par un ressort. Toutefois, dans ce document, le ressort sert à amener ledit corps en position extrême d'ouverture ou de fermeture ; il ne contribue pas à maintenir le corps dans une position intermédiaire qui serait une position d'équilibre.
Le cyclone peut encore 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. 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. 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 correspondant à des débits élevés ;
Figure 3 est une vue en coupe verticale du cyclone de la figure 2, dans une deuxième position de fonctionnement correspondant à des 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 de ce cyclone, pourvue d'un ressort.
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, 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).
Un corps de révolution 7 de forme générale cylindro-conique est monté, mobile verticalement et aussi librement tournant, à l'intérieur du cyclone. 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 à son débouché supérieur 12 raccordé à l'ouverture supérieure 5 de sortie 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 elles s'écoulent vers le bas le long de la paroi de la zone conique 3, et enfin elles sont 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 séparés 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 la partie basse du corps 7, et les forces de pression P2 s'exerçant sur la partie haute de ce corps 7. L'interstice annulaire 13 possède 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, quel que soit le débit, dans l'interstice annulaire 13.
Dans ce fonctionnement, la zone supérieure 10 de plus grand diamètre du corps cylindro-conique 3 recouvre 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, 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
Ia 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 elle provoque une levée plus forte du corps 3.
Dans une deuxième variante, représentée séparément sur la figure 5 (mais pouvant 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.
La figure 6 représente une troisième variante, pouvant être combinée 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, qui est ici de forme trapézoïdale 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.
Le ressort 15 pourrait être simplement remplacé par une réalisation plus lourde du corps cylindro- conique 7, notamment une réalisation en une matière plus dense, pour un même volume.
Le corps 7 est réalisable en diverses matières plus ou moins denses, en particulier des matières pouvant être injectées ou moulées : métal tel que plomb, alliage métallique tel qu'alliage à base de zinc dit « zamac », matière synthétique telle que polyamide ou aramide, incluant éventuellement une 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 afin de le positionner verticalement à la hauteur souhaitée.
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 entrant dans le cadre des revendications annexées, quels que soient notamment les détails de forme du cyclone et du corps logé dans celui-ci. 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif séparateur à cyclone prévu pour la séparation et la récupération des particules liquides 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 de l'huile, - une zone conique (3) de récupération de l'huile liquide,
- une zone (4) d'évacuation et/ou de stockage de l'huile, qui a été séparée, 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 de l'huile et/ou dans la zone conique (3) de récupération de l'huile, un corps (7) à symétrie de révolution délimitant avec les parois desdites zones (2, 3) un interstice annulaire (13), tel que la section de passage des gaz soit variable selon la position auto-ajustable en hauteur du corps (7) en fonction du débit des gaz, la vitesse des gaz pouvant ainsi rester sensiblement constante pour des débits gazeux variables.
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 de l'huile et dont la partie conique (9) est en correspondance avec la zone conique (3) de récupération de l'huile, 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 des gaz.
3. Dispositif séparateur à cyclone selon la revendication 2, caractérisé en ce que le canal interne (11) du corps (7) précité est évasé (12) à son extrémité aval, c'est-à-dire située vers l'ouverture supérieure (5) de sortie axiale des gaz.
4. Dispositif séparateur à cyclone selon la revendication 2 ou 3, 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 des gaz.
5. Dispositif séparateur à cyclone selon l'une 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 de l'huile, 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 de l'huile.
7. Dispositif séparateur à cyclone selon l'une 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 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 de l'huile, qui sollicitent Ie corps (7) à symétrie de révolution vers le bas pour l'amener en position d'équilibre.
9. Dispositif séparateur à cyclone selon l'une des revendications 1 à 8, 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).
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