Brevet FR2876412A1 — publié le 20060414

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour séparer un liquide d'une veine de gaz venant du carter de vilebrequin d'un moteur à combustion interne comprenant un canal d'entrée communi- quant avec le carter, un canal de sortie communiquant avec la conduite d'admission du moteur à combustion interne, et une soupape de séparation installée entre le canal d'entrée et le canal de sortie et ayant un organe d'obturation mobile axialement suivant l'axe de la soupape et un siège de soupape qui coopère avec l'organe d'obturation. Etat de la technique Selon le document DE 203 02 220 U1, on connaît déjà des dispositifs séparateurs de liquide comportant un canal d'entrée communiquant avec le carter de vilebrequin et un canal de sortie communiquant avec la conduite d'admission d'un moteur à combustion interne, et ayant une soupape de séparation entre le canal d'entrée et le canal de sortie. Cette soupape comporte un organe d'obturation mobile axialement suivant l'axe de la soupape et coopérant avec un siège de soupape. L'inconvénient de ce dispositif est que cette soupape de séparation n'est mise en oeuvre que comme soupape de dérivation d'un ou plusieurs cyclones branchés en parallèle et ne sert qu'à séparer des particules grossières. La séparation fine se fait dans un ou plusieurs cyclones branchés en parallèle. Les cyclones utilisés pour assurer la séparation fine ont l'inconvénient de n'avoir un effet séparateur optimum que dans une plage limitée de débit volumique. Or, souvent les cyclones ne peuvent fonctionner dans cette plage étroite de débit volumique car le débit volumique des gaz de fuite du carter de vilebrequin qu'il faut nettoyer dépend fortement du mode de fonctionnement du moteur à combustion interne. C'est pour-quoi dans de nombreux états de fonctionnement, l'effet séparateur as- suré par les cyclones n'est pas satisfaisant. La soupape de séparation utilisée pour contourner un cyclone s'ouvre lorsque la pression dans le cyclone dépasse une valeur prédéfinie qui ne se produit pas en fonctionnement normal. Cela garantit l'évacuation des gaz du carter de vilebrequin même si le cyclone est complètement ou partiellement bouché. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un dispositif séparateur du type défini ci-dessus, caractérisé par plusieurs soupapes de séparation installées en parallèle et servant de séparateurs fins et/ou de séparateurs très fins. Le dispositif séparateur de liquide selon l'invention a l'avantage de permettre de manière simple de réduire la dépendance entre l'effet séparateur et le débit volumique grâce à plusieurs soupapes de séparation branchées en parallèle et servant de séparateurs fins et/ou de séparateurs poussés. Cela étend de manière significative la plage du débit volumique dans laquelle l'effet séparateur est au moins sensiblement optimum. Selon un développement avantageux les organes d'obturation des soupapes de séparation sont en forme de plateaux, de disques, de plaques, de grilles ou des tôles perforées. On réalise ainsi une première séparation des gouttelettes d'huile du côté des gaz non nettoyés, au niveau de l'organe d'obturation. De façon particulièrement avantageuse, chaque soupape de séparation comporte un ressort de rappel poussant l'organe d'obturation en direction de son siège. Il est en outre avantageux que le siège de la soupape soit entouré par une paroi annulaire située en aval et formant un canal annulaire s'évasant dans la direction de passage ce qui réduit les pertes de charge de la soupape de séparation. Il est très avantageux que la course d'au moins l'un des organes d'obturation soit limitée par une butée à une course maximale de 3 millimètres car de cette manière, il ne subsiste que des intervalles très étroits au niveau de la soupape entre l'organe de fermeture, en position ouverte et le siège de soupape de sorte que la forte accélération et les déviations imposées à l'écoulement dans l'intervalle de la soupape permettent une bonne séparation des particules fines et des particules très fines. Selon un développement avantageux, l'une des soupapes de séparation est équipée d'un chauffage électrique du siège de sou-pape. Cela permet d'éviter le givrage de cette soupape de séparation ou du moins de la dégivrer rapidement. De façon avantageuse la soupape de séparation équipée d'un chauffage électrique de siège de soupape a une course maximale plus grande que celle des autres soupapes de séparation. Ainsi, dans une situation exceptionnelle cette soupape de séparation pourra s'ouvrir de façon plus importante que cela est nécessaire en fonctionnement normal. On peut ainsi compenser par exemple le défaut d'ouverture d'un autre organe d'obturation. Il est en outre avantageux que l'une des soupapes de séparation soit légèrement ouverte quel que soit le mode de fonctionne-ment du moteur à combustion interne car ainsi les autres soupapes de séparation ne s'ouvriront qu'après dépassement d'une certaine pression d'ouverture. Il est en outre avantageux qu'au moins l'un des sièges de soupape puisse être chauffé par un moyen électrique car cela garantit le bon fonctionnement du dispositif même en hiver pour des températures extérieures très froides. Dans un premier exemple de réalisation, le chauffage électrique de siège se trouve sous le siège de la soupape correspondante ce qui permet de dégeler très rapidement une partie givrée. Il est en outre avantageux d'installer un unique cyclone en parallèle aux soupapes de séparation. Le cyclone peut par exemple servir de séparateur de dérivation lorsque les soupapes de séparation sont givrées et ne fonctionnent pas encore dans la phase initiale de démarrage à froid. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue simplifiée du dispositif selon l'invention avec disposition verticale des soupapes de séparation, la figure 2 est une vue simplifiée du dispositif selon l'invention avec des soupapes de séparation installées en position horizontale. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 est une représentation simplifiée du dispositif de l'invention. Le dispositif sert notamment à séparer des liquides et en particulier de l'huile d'une veine de gaz mais peut servir de façon générale à la séparation de gouttelettes de liquide de gaz en circulation. Le dispositif est appliqué de préférence à la ventilation du carter de vile- brequin d'un moteur à combustion interne. Pendant le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, du fait de petites fuites entre les pistons, les bagues de piston et la surface des cylindres, on a un gaz de fuite qui passe de la chambre de combustion dans le carter de vilebrequin. Ce gaz sera désigné ci-après simplement par l'expression gaz . Du fait des faibles fuites de gaz provenant de la chambre de combustion du moteur à combustion interne, la pression augmente de manière excessive dans le carter de vilebrequin rendant nécessaire l'équilibrage de la pression par la ventilation du carter de vilebrequin. Mais comme ces gaz contiennent une forte concentration d'hydrocarbure, on ne peut laisser ce gaz s'échapper directement à l'atmosphère et on le dirige vers la conduite d'admission du moteur à combustion interne pour qu'il alimente la combustion. Le gaz arrivant dans la conduite d'admission est chargé d'un brouillard d'huile avec de nombreuses petites et grandes goutte- lettes d'huile. Ces gouttelettes sont entraînées par les gaz qui arrivent à vitesse beaucoup moins élevée dans le carter de vilebrequin et ces gouttelettes proviennent également des parties mobiles dans le carter. Il faut séparer ces gouttelettes d'huile du brouillard avant que le gaz n'arrive dans la conduite d'admission. Cette séparation se fait à l'aide d'un dispositif séparateur de liquide de la veine de gaz pour éviter une perte d'huile importante et ne pas influencer de manière négative la combustion. Le dispositif selon l'invention comporte un boîtier 1 réalisé par exemple en injection muni d'un canal d'entrée 2 et d'un canal de sortie 3. Le canal d'entrée 2 communique avec le carter de vilebrequin 4 et le canal de sortie 3 avec la conduite d'admission 5 du moteur à combustion interne. La conduite de gaz nettoyé 7 reliant le canal de sortie 3 à la conduite d'admission 5 peut comporter une soupape de régulation de pression 6. Le boîtier comporte une chambre de gaz non nettoyé 1.1 et une chambre de gaz nettoyé 1.2 séparées l'une de l'autre par une cloison 1.3. Le canal d'entrée 2 débouche en aval dans la chambre de gaz non nettoyé 1.1; le canal de sortie 3 débouche en amont dans la chambre de gaz nettoyé 1.2. Selon l'invention, le boîtier 1 loge plusieurs soupapes de séparation 8 branchées en parallèle et servant de séparateurs fins et/ou de séparateurs très fins (ou séparateurs poussés et/ou séparateurs très poussés). Le séparateur fin selon la présente invention est un dispositif permettant de séparer efficacement des particules grossières mais aussi des particules fines comprises entre un micron et dix microns. Le dis- positif selon l'invention sépare en outre les particules très fines inférieures à un micron et dont les dimensions sont par exemple comprises entre un micron et 0,6 micron, en fonctionnant ainsi comme séparateur très fin. Le montage en parallèle des soupapes de séparation 8 selon l'invention permet d'arriver à un effet séparateur amélioré de manière significative dans le dispositif de l'invention par rapport à celui de l'état de la technique en particulier dans le domaine des particules fines et des particules très fines. Les soupapes de séparation 8 servent exclusivement à la séparation principalement de particules fines et de particules très fines et non pas comme dans l'état de la technique, principalement comme soupape de surpression. En particulier, le boîtier 1 est équipé de quatre soupapes de séparation 8 installées en parallèle les unes à côté des autres. Mais on peut prévoir un nombre plus important ou inférieur à quatre soupapes de séparation 8. La chambre de gaz non nettoyé 1.1 communique par exemple par une ou plusieurs soupapes de séparation 8, ouvertes avec la chambre des gaz nettoyé 1.2. En aval des soupapes de séparation 8, on trouve le côté nettoyé et en amont de ces soupapes 8 on trouve le côté des gaz brut dans le dispositif. Chaque soupape de séparation 8 comporte un organe d'obturation 10 mobile axialement par rapport à l'axe de soupape 9 et un siège de soupape 11 avec lequel coopère cet organe d'obturation 10. Les soupapes de séparation 8 ont par exemple chacune un siège de soupape 11 en forme de siège plat. La cloison 1.3 du boîtier 1 comporte par exemple plusieurs orifices de soupape 1.4 munis chacun d'un siège de soupape 11 du côté tourné vers la chambre collectrice 1.2. Le siège de soupape 11 est entouré par une paroi annulaire 13 située en aval prévue sur la cloison 1.3 du côté tourné vers la chambre 1.2 des gaz nettoyés. La paroi annulaire 13 peut également être interrompue à plu- sieurs endroits de sa périphérie pour former plusieurs entretoises. La paroi annulaire 13 comporte du côté intérieur tourné vers l'organe d'obturation 12 par exemple plusieurs nervures de guidage 14 parallè- les, guidant l'organe d'obturation 10 dans son mouvement axial. En aval des sièges de soupape 11, les parois annulaires 13 forment chacune un canal annulaire 19 qui s'évase par exemple suivant une forme conique dans la direction de passage pour diminuer les pertes de charge. Le côté de l'organe d'obturation 10 tourné vers la chambre des gaz nettoyés 1.2 comporte par exemple chaque fois un prolongement 12 dans la direction de l'axe de soupape 9. Le prolongement 12 est logé au moins sur une partie de sa longueur dans un guide 15. Le guide 15 est par exemple constitué par une cavité réalisée dans le boî- tier 1 dans laquelle pénètre le prolongement 12. L'organe d'obturation 10 est mobile axialement entre le siège de soupape 11 et une butée 16. La butée 16 est par exemple formée par une longueur limitée du guidage 15 dans la direction axiale. La course de l'organe d'obturation 10 peut également être limitée mécaniquement d'une autre manière. Les organes d'obturation 10 ont par exemple une forme de plateau, de plaque, de disque ou une forme analogue; ces organes peuvent être réalisés en matière plastique en métal ou en caoutchouc. Les organes d'obturation 10 peuvent avoir une forme circulaire, carrée, rectangulaire, ovale ou une forme analogue. Les soupapes de séparation 10 sont équipées chacune d'un ressort de rappel 17 poussant les organes d'obturation 10 dans la direction du siège de soupape 11. Le ressort de rappel 17 est par exemple constitué par un ressort hélicoïdal. Ce ressort s'appuie par une extrémité contre le boîtier 1 et son autre extrémité s'appuie contre l'organe d'obturation 10. L'extrémité des ressorts de rappel 17 tournée vers le boîtier 1 comporte chaque fois un appui de ressort 18 de manière à centrer chaque ressort 17 par rapport à l'axe de soupape 9. Cet appui de ressort est réalisé sur le boîtier 1 ou fixé à celui-ci. La précontrainte des ressorts de rappel 17 définit la pres- Sion à partir de laquelle les organes d'obturation 10 des soupapes de séparation 8 s'ouvrent. Les soupapes de séparation 8 s'ouvrent à une pression significativement plus faible que celle des soupapes de séparation de l'état de la technique. Par exemple, l'une des soupapes de séparation 8 est équipée d'un chauffage électrique de siège de soupape 20 évitant le givrage de cette soupape de séparation 8 aux basses températures extérieures ou assurant le dégivrage. Le chauffage électrique 20 est par exemple installé sous le siège de soupape 20 et chauffe celui-ci. Le ressort de rappel 17 de cette soupape de séparation 8 équipée d'un chauf- fage électrique 20 peut être plus fortement précontraint que les autres sièges de soupape comme cela est par exemple représenté pour la sou-pape de séparation 8 située tout à gauche de la figure 1. Ce ressort de rappel 17 s'appuie par exemple contre l'appui 18 venant en saillie dans la chambre de gaz nettoyé 1.2 et est ainsi plus fortement précontraint que les ressorts de rappel 17 s'appuyant contre le boîtier 1. La soupape de séparation 8 équipée du chauffage électrique 20 a une course maxi-male plus importante que les autres soupapes de séparation grâce à la qualité du guide 15 dont la longueur axiale est plus grande que celle des autres soupapes de séparation 8. Si l'un des organes d'obturation 10 des autres soupapes de séparation 8 devait légèrement s'accrocher à son siège de soupape 11 ou être bloqué par le givre et ne pas s'ouvrir, la soupape de séparation 8 à chauffage électrique 20 permet d'assurer la compensation par une course supplémentaire dans le sens de l'ouverture correspondant à la course que devrait avoir la soupape de séparation 8 bloquée par le givre, en s'ouvrant ainsi de façon plus importante. Le chauffage du moteur à combustion interne après le démarrage du moteur permettra de débloquer rapidement une soupape de séparation 8 éventuellement bloquée par le givre. Les soupapes de séparation 8 peuvent avoir un axe 9 en position horizontale ou en position verticale ou en position inclinée. A la figure 1, les soupapes de séparation 8 sont installées en position verticale, c'est-à-dire que l'axe de soupape 9 est dirigé dans le sens de l'apesanteur. On peut également prévoir que l'une des soupapes de sé- paration 8 soit légèrement ouverte quel que soit le mode de fonctionne- ment du moteur à combustion interne. Cela se réalise par exemple à l'aide d'un ou plusieurs organes d'écartement qui évitent que l'organe d'obturation 10 de cette soupape ne s'applique de manière étanche contre le siège de soupape 11. Cet organe d'écartement peut être prévu sur l'organe d'obturation 10 ou sur le siège de soupape 11. On assure ainsi que le dispositif peut être traversé par le fluide même si un ou plusieurs organes d'obturation 10 sont provisoirement accrochés ou collés par le givre au siège de soupape 11. La différence de pression entre le carter de vilebrequin 4 et la conduite d'admission 5 crée un débit volumique de gaz à partir du carter de vilebrequin 4 vers la conduite d'admission 5. Comme la pression dans la conduite d'admission 5 varie suivant l'état de fonctionne-ment du moteur à combustion interne, la soupape de régulation de pression 6 règle une certaine pression dans le carter de vilebrequin 4 par rapport à l'atmosphère. Pour les moteurs Diesel, on atteint des dé-pressions dans la conduite d'admission 16 comprises entre 70 et 150 mbars; dans le cas des moteurs à essence, on atteint des dépressions allant jusqu'à 800 mbars. La veine de gaz du carter de vilebrequin 4 du moteur à combustion interne passe par le canal d'entrée 2 dans la chambre de gaz non nettoyé 1.1 du boîtier 1. Suivant la pression agissant sur les organes d'obturation 10, une ou plusieurs soupapes de séparation 8 s'ouvrent par soulèvement de leur organe d'obturation 10 par rapport au siège de soupape 11. On a ainsi un petit intervalle de soupape 22 qui s'ouvre entre le siège de soupape 11 et l'organe d'obturation 10 per-mettant au gaz de la chambre des gaz non nettoyés 1.1 de passer par l'ouverture de soupape 1.4 et le petit intervalle 22 dans la chambre des gaz nettoyés 1.2. Les gaz doivent contourner l'organe d'obturation 10 ce qui leur fait subir de fortes déviations. En outre, les gaz sont fortement accélérés dans le petit intervalle de soupape 22. Les gouttelettes d'huile des gaz, soumis aux forces centrifuges lors du passage dans la soupape de séparation 8, éjectent les gouttelettes d'huile de la veine de fluide et celles-ci sont projetées tant du côté des gaz non nettoyés que du côté des gaz nettoyés sur la paroi du boîtier 1 ou de l'organe d'obturation 10 ce qui assure leur séparation. Le liquide séparé de cette manière s'accumule du côté des gaz bruts et/ou des gaz non nettoyés pour être reconduits dans le carter de vilebrequin 4 par une conduite de retour. Les organes d'obturation 10 n'effectuent par exemple qu'une faible course de l'ordre de 0 à 3 millimètres. La course de l'organe d'obturation 10 à l'exception de celle de la soupape de séparation 8 à chauffage électrique 20 est limitée à cette plage. Plus la course d'ouverture de l'organe d'obturation 10 est petite et plus petit sera l'intervalle de soupape 22 et plus élevée sera l'accélération des gaz au passage de la soupape de séparation 8. Plus la déviation et l'accélération de la veine de gaz sont fortes et plus on pourra séparer les particules fines et très fines c'està-dire améliorer l'effet de séparation. Les soupapes de séparation 8 pour une bonne séparation fine sont conçues de façon à ne s'ouvrir que légèrement pour un débit maximum volumique de gaz de ventilation du carter de vilebrequin et avoir ainsi chaque fois un faible intervalle de soupape 22. Pour cela, la somme des intervalles 22 des soupapes de séparation 8 doit fournir une section de passage suffisamment grande. Une section de passage importante avec un faible intervalle 22 se réalise par exemple à l'aide d'organes d'obturation 10 à périphérie importante ou ayant par rapport à la réalisation évoquée ci-dessus, un plus grand nombre d'organes d'obturation 10 de petite périphérie. Dans le dispositif selon l'invention à plusieurs soupapes de séparation 8, l'intervalle 22 d'une seule soupape de séparation 8 ne représente qu'une fraction de celle d'un dispositif n'ayant qu'une seule soupape de séparation. Cela permet d'atteindre des accélérations beau-coup plus importantes, des déviations plus importantes et ainsi une séparation significativement meilleure des particules fines et très fines. L'une des soupapes de séparation 8 peut également être réglée de manière fixe et avoir un intervalle de soupape invariable 22. Les soupapes de séparation 8 ont l'avantage que la perte de charge n'augmente pas selon le carré du débit volumique comme dans les cyclones mais uniquement de manière linéaire car les organes d'obturation 10 s'ouvrent plus en fonction du débit volumique de gaz de ventilation du carter de vilebrequin et augmente l'intervalle de soupape 22. L'effet séparateur des soupapes de séparation 8 est ainsi au moins sensiblement constant dans une plage volumique importante. On peut brancher un unique cyclone 23 en parallèle sur les soupapes de séparation 8, ce cyclone étant par exemple conçu pour un débit volumique minimum de gaz et assurant ainsi que dans chaque mode de fonctionnement, le dispositif puisse être immédiatement traversé par les gaz. En cas de soupape de séparation 8 givrées, le cyclone 23 constitue un séparateur en dérivation. Le cyclone 23 est par exemple relié en une seule pièce au boîtier 1 auquel il est intégré. Les organes d'obturation 10 des soupapes de séparation 8 peuvent également être actionnés par un actionneur mécanique ou électrique. Si l'actionneur est par exemple un moteur électrique, il règle l'intervalle 22 des soupapes de séparation 8 en fonction de la pression dans le carter de vilebrequin 4; on peut également avoir une membrane de régulation de pression qui exerce sur l'organe d'obturation 10 une force d'ouverture ou de fermeture dépendant de la différence de pression appliquée à la membrane. Il est également possible de commuter plusieurs organes d'obturation 10 à l'aide d'un actionneur électrique ou mécanique. La figure 2 montre le dispositif selon l'invention dont les soupapes de séparation 8 sont installées horizontalement. Une seule de ces soupapes est représentée. Les éléments du dispositif de la figure 2 identiques ou équivalents de ceux du dispositif de la figure 1 portent les mêmes références et leur description ne sera pas systématiquement re- prise. La disposition horizontale des soupapes de séparation 8 facilite le retour de l'huile séparée car le liquide séparé descend et s'accumule au fond 24 par exemple en forme de trémie dans la chambre des gaz nettoyés 1. 2. Le liquide séparé est retourné de la chambre des gaz nettoyés 1.2 à travers un clapet d'arrêt 25 et la conduite de retour 26 dans le carter de vilebrequin 4. Cela se fait par exemple à l'arrêt du moteur. Les organes d'obturation 10 et les ouvertures de soupape 1.4 peuvent également avoir une forme de grille ou de tôle perforée et comporter plusieurs orifices traversant 28 répartis en ligne et en colonne avec des entretoises de soupape 29 entre les orifices traversant 28. Les orifices traversant 28 des organes d'obturation 10 sont décalés par rapport aux orifices traversant 28 des orifices de soupape 1.4 de façon que lorsque l'organe d'obturation 10 est appliqué contre le siège de soupape 11, les orifices traversant 28 des organes d'obturation 10 soient fermés par des tiges de soupape 29 des orifices 1.4 et réciproquement. La structure en forme de grille forme de nombreux intervalles de soupape 22 lorsque l'organe d'obturation 10 est soulevé du siège de soupape 11, ce qui permet une bonne séparation fine. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif pour séparer un liquide d'une veine de gaz venant du carter de vilebrequin d'un moteur à combustion interne comprenant un canal d'entrée communiquant avec le carter, un canal de sortie corn- muniquant avec la conduite d'admission du moteur à combustion in-terne, et une soupape de séparation installée entre le canal d'entrée et le canal de sortie et ayant un organe d'obturation mobile axialement suivant l'axe de la soupape et un siège de soupape qui coopère avec l'organe d'obturation, caractérisé par plusieurs soupapes de séparation (8) installées en parallèle et servant de séparateurs fins et/ou de séparateurs très fins. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes d'obturation (10) des soupapes de séparation (8) sont en forme de plateaux, de disques, de plaques, de grilles ou des tôles perforées. 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque soupape de séparation (8) comporte un ressort de rappel (17) poussant son organe d'obturation (10) en direction du siège de soupape (11). 4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le siège de soupape (11) est entouré par une paroi annulaire (13) du côté aval et forme un canal annulaire (19) évasé dans la direction de passage. 5 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la course d'au moins l'un des organes d'obturation (10) est limitée par une butée (16) à un maximum de 3 millimètres. 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des soupapes de séparation (8) comporte un chauffage électrique de siège de soupape (20). 7 ) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la soupape de séparation (8) équipée d'un chauffage électrique de siège de soupape (20) a une course maximale plus grande que celle des autres soupapes de séparation (8). 8 ) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le chauffage électrique de soupape (20) est installé sous le siège (11) de 15 la soupape. 9 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des soupapes de séparation (8) est légèrement ouverte lorsque le 20 moteur à combustion interne fonctionne. 10 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par un cyclone unique (23) en parallèle aux soupapes de séparation (8).