Brevet FR2886558A1 — publié le 20061208

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour séparer un liquide d'une veine de gaz d'un carter de vilebrequin d'un moteur à combustion interne, comportant au moins un cyclone ayant une entrée de gaz et une sortie de gaz avec un orifice de sortie. Etat de la technique On connaît déjà un dispositif pour séparer un liquide d'une veine de gaz selon le document US 2003/0172632 Al. Ce dispositif comporte un cyclone ayant un canal d'entrée de gaz et un canal de sortie de gaz muni d'un orifice de sortie. L'inconvénient de cette solution est que le tourbillon intérieur débouchant dans le canal de sortie des gaz aux faibles débits volumiques n'est pas suffisamment rétréci si bien que l'écoulement dans le tourbillon intérieur n'est pas suffisamment accéléré ; le rendement de la séparation est de ce fait faible. La soupape de commande en aval du canal de sortie des gaz régule le débit volumique dans ce canal. Mais cette régulation n'a pas d'influence sur le dia-mètre du tourbillon intérieur. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces in- convénients et concerne à cet effet un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la section d'ouverture de l'orifice de sortie peut être modifiée par un élément de commutation coopérant avec un siège de soupape du canal de sortie de gaz, et l'élément de commutation et le siège de soupape forment un joint en labyrinthe comportant au moins une collerette annulaire pénétrant dans une cavité. Le dispositif selon l'invention a l'avantage de permettre de manière simple d'améliorer le rendement de séparation du cyclone aux faibles débits volumiques grâce à l'orifice de sortie du canal de sortie qui est variable. Ainsi, le tourbillon intérieur peut être rétréci plus forterrent aux faibles débits volumiques par rapport aux débits volumiques importants de sorte que même pour des faibles débits volumiques, l'écoulement dans le tourbillon intérieur se fera à vitesse élevée ce qui permet d'assurer un rendement de séparation élevé. Grâce à un joint en labyrinthe ou à un intervalle en forme de labyrinthe au niveau du siège de soupape, on améliore encore plus le rendement de séparation. Le joint en labyrinthe comporte au moins une collerette annulaire pénétrant dans une cavité. Il est particulièrement avantageux lors du soulèvement de l'élément de commutation par rapport au siège de soupape, de for- mer un intervalle qui augmente la section de l'ouverture de sortie ce qui permet d'assurer une nouvelle séparation au niveau de l'élément de commutation. L'intervalle est traversé dans la direction radiale par rapport à l'axe du cyclone; l'écoulement à travers l'intervalle décrit avantageusement plusieurs déviations pour obtenir un rendement de séparation élevé du fait de l'inertie des particules. Il est en outre avantageux que selon la direction radiale par rapport à l'axe du cyclone, l'intervalle soit en forme de méandre car de cette manière, on réalise plusieurs déviations de l'écoulement. Selon un développement avantageux, la collerette annu- laire a une section carrée, rectangulaire, trapézoïdale ou triangulaire. Il est également avantageux que l'élément de commutation soit un organe de soupape mobile dans la direction axiale par rapport à l'axe du cyclone et poussé par un ressort de rappel en direction du siège de soupape car de cette manière, on peut augmenter en conti- nu la section de l'orifice de sortie. Il est en outre avantageux qu'un couvercle fermant la face frontale du cyclone constitue l'élément de commutation car de cette manière, on ouvre une section d'écoulement plus grande. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue d'un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une vue partielle du dispositif selon l'invention, et - la figure 4 montre un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention. Description de modes de réalisation La figure 1 montre de manière simplifiée un dispositif selon l'invention pour séparer un liquide, de préférence un ou des liquides notamment de l'huile, d'une veine de gaz, et de manière générale à séparer des gouttelettes de liquide du gaz qui s'écoule. Le dispositif est appliqué de préférence à la ventilation du carter de vilebrequin d'un moteur à combustion interne. Pendant le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, une petite fuite passe entre les pistons, les segments de piston et la surface de circulation du cylindre; il s'agit des gaz de contourne-ment venant de la chambre de combustion et passant dans le carter de vilebrequin. Dans la suite, on désignera ce gaz de contournement simplement sous le terme de gaz. La petite fuite de gaz provenant de la chambre de combustion du moteur à combustion interne produit une augmentation inacceptable de la pression dans le carter de vilebrequin de sorte qu'il est nécessaire d'équilibrer la pression par une ventilation de carter de vilebrequin. Comme les gaz ont une forte concentration en hydrocarbure, on ne les laisse pas s'échapper du carter de vilebrequin à l'atmosphère mais on les reprend dans la conduite d'admission du moteur à combustion interne pour alimenter de nouveau la combustion. Les gaz arrivant dans la conduite d'admission contiennent un brouillard d'huile avec de nombreuses petites et grandes gouttelettes d'huile. Ces gouttelettes provoquées par le mouvement des pièces dans le carter de vilebrequin, sont emportées par les gaz passant à vitesse d'écoulement élevée dans le carter de vilebrequin. Les goutte-lettes du brouillard d'huile doivent être séparées de la veine de gaz avant que celui-ci ne passe dans la conduite d'admission; cette séparation se fait à l'aide du dispositif servant à séparer un liquide d'une veine de gaz. Le dispositif comporte un ou plusieurs cyclones 1. Si le dispositif comporte plusieurs cyclones 1, ceux-ci sont par exemple branchés en parallèle. Le cyclone 1 comporte de manière connue un segment d'entrée 2 et un tronc de cône 3. Le tronc de cône 3 est prévu par exemple au voisinage du segment d'entrée 2. Le segment d'entrée 2 et le tronc de cône 3 sont concentriques par rapport à l'axe 4 du cyclone 1. Le segment d'entrée 2 a par exemple une forme cylindrique et le tronc de cône 3 une forme conique. Le segment d'entrée 2 et le tronc de cône 3 forment une chambre de séparation 1.1 dans laquelle se produit principalement la séparation du liquide. Le cyclone 1 comporte un canal d'entrée 8, un canal de sortie 9 et une sortie de liquide 10. Le canal d'entrée 8 débouche tangentiellement dans le segment d'entrée 2 du cyclone 1. Le canal de sortie 9 est prévu au ni-veau de la face frontale du tronc de cône 3 à l'opposé du segment d'entrée 2 par exemple de manière concentrique à l'axe 4 du cyclone pour déboucher axialement par rapport à l'axe 4 du cyclone dans le segment d'entrée 2 ou dans le tronc de cône 3. La sortie de liquide 10 est prévue à l'extrémité rétrécie du tronc de cône 3 en communiquant avec le tronc de cône 3. La séparation du liquide par rapport à la veine de gaz se fait dans le cyclone 1. La veine de gaz provenant d'un carter de vilebrequin 5 d'un moteur à combustion interne 6 arrive par la conduite de ventilation 7 et le canal d'entrée 8 dans le segment d'entrée 2 du cyclone 1. L'écoulement du fluide dans le cyclone 1 est mis en rotation du fait de l'arrivée tangentielle; la veine de gaz passe sous la forme d'un tourbillon extérieur pour suivre en spirale la paroi 11 du segment d'entrée 2 du cyclone et du tronc de cône 3 du cyclone 1 dans la direc-tion de la sortie de liquide 10. A proximité de la sortie de liquide 10, la circulation des gaz change de direction pour devenir un tourbillon intérieur au centre du tourbillon extérieur et revenir en direction du canal de sortie des gaz 9 pour quitter le cyclone 1 par exemple par un orifice de sortie 14 et passer dans le canal de sortie des gaz 9. La circulation est accélérée de plus en plus par la rotation en direction de la sortie de liquide 10 si bien que le liquide chargeant le gaz ne peut plus suivre la veine de gaz et arrive sur la paroi 11 du cyclone du fait de la force centrifuge qui lui est appliquée. Le liquide ainsi séparé coule sous forme de gouttelettes ou d'un film de liquide sur la paroi 11 du cyclone en direction du canal de sortie de liquide 10. Le transport du liquide en direction de la sortie de liquide 10 se fait chaque fois pour un dispositif vertical d'au moins un cyclone 1 surtout par la force de gravité appliquée au liquide, et pour une disposition horizontale ou inclinée, cela se fait principalement par l'écoulement dans le cyclone 1, c'est-à-dire le tourbillon potentiel. Le canal de sortie des gaz 19 du cyclone 1 débouche dans une conduite de gaz nettoyés 12 reliant en aval par exemple par une soupape de régulation de pression 15 à la conduite d'admission 16 du moteur à combustion interne 6 de sorte que le gaz séparé des goutte- lettes de liquide sortant par le canal de sortie de gaz 9 du cyclone 1 arrive par exemple par la soupape de régulation de pression 15 dans la conduite d'admission 16 du moteur à combustion interne; cette arrivée peut se faire par exemple en aval du volet d'étranglement 17. La con-duite de gaz nettoyés 12 est par exemple transversale à la direction du canal de sortie des gaz 9. La sortie de liquide 10 du cyclone 1 débouche par exemple dans une conduite de retour 18 reliée au carter de vilebrequin 5. Les gouttelettes de liquide séparées dans le cyclone 1 sont reconduites par la sortie de liquide 10 et la conduite de retour 18 dans le carter de vile- brequin 5. Dans le cas de plusieurs cyclones 1 branchés en parallèle, les canaux de sortie des gaz 9 des cyclones 1 débouchent par exemple dans une conduite commune de gaz nettoyés 12 et les sorties de liquide 10 débouchent dans une conduite commune de retour de li- quide 18. La différence de pression entre le carter de vilebrequin 5 et la conduite d'admission 16 établit le débit volumique de gaz sortant du carter de vilebrequin 5 en passant par la conduite de ventilation 7 en direction de la conduite d'admission 16. Comme la pression dans la conduite d'admission 16 dépend de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne 6 et varie, il est prévu une soupape de régulation de pression 15 qui règle une pression prédéfinie dans le carter de vilebrequin 5 par rapport à l'atmosphère. Dans le cas de moteurs Diesel, on atteint des dépressions de 70 à 150 mbars dans la conduite d'admission 16; dans le cas de moteurs à essence, on atteint des dé-pressions allant jusqu'à 800 mbars. La section de l'orifice de sortie 14 définit le diamètre du tourbillon intérieur; la section de tourbillon intérieur correspond sensi-blement à la section de l'orifice de sortie 14. Plus le diamètre du tour-billon intérieur est petit et plus intenses seront les forces centrifuges agissant sur les gouttelettes d'huile et plus important sera le rendement de séparation du cyclone 1. D'autre part, la perte de charge du cyclone 1 augmente avec la diminution de la section de l'orifice de sortie 14 c'està-dire que cette perte de charge est inversement proportionnelle à la section de l'orifice de sortie 14. C'est pourquoi, selon l'état de la technique, on conçoit la section de l'orifice de sortie 14 et/ ou celle du canal de sortie des gaz 9 de façon à ne pas dépasser une perte de charge maximale pour un débit volumique maximum. Pour de faibles débits volumiques, inférieurs aux débits volumiques maximum, le diamètre de l'orifice de sortie 14 conçu de cette manière est toutefois trop important pour obtenir une accélération suffisamment élevée dans le tourbillon intérieur avec un faible débit volumique; dans ces conditions, le rendement de la séparation n'est pas optimum pour de faibles débits volumiques selon l'état de la technique. C'est pourquoi l'invention prévoit une section d'écoulement variable pour l'orifice de sortie 14 du canal de sortie de gaz 9. Ce moyen a l'effet d'un diamètre variable pour le canal de sortie de gaz 9. Par exemple, la section de l'orifice de sortie 14 se modifie à l'aide d'un élément de commutation 20. L'orifice de sortie variable 14 est par exemple prévu à l'extrémité du canal de sortie de gaz 9 tournée vers la chambre de séparation 1.1. L'élément de commutation 20 permet de régler un plus petit diamètre ou une plus petite section de passage de l'orifice de sortie 14 pour de faibles débits volumiques que pour des débits volumiques importants. Selon l'invention, l'élément de commutation 20 permet de régler plusieurs diamètres ou sections d'écoulement de l'orifice de sortie 14. Le diamètre ou la section d'écoulement de l'orifice de sortie 14 est réglé par exemple en fonction du débit volumique respectif dans le cy- clone 1 ou en fonction de la différence de pression entre le carter de vi- 2886558 7 lebrequin 5 et l'atmosphère. L'élément de commutation 20 règle l'orifice de sortie 14 du canal de sortie 9 par exemple par étape ou de manière continue. La section d'écoulement de l'orifice de sortie 14 est par exemple circulaire mais peut avoir également n'importe quelle forme. L'élément de commutation 20 est installé chaque fois à proximité de l'orifice de sortie 14 par exemple en aval de l'orifice de sortie 14 dans le canal de sortie des gaz 9. L'élément de commutation 20 est par exemple réalisé sous la forme d'un organe d'obturation 22 coopérant avec un siège de soupape 21; cet organe d'obturation est monté de manière mobile entre le siège de soupape 21 et une butée 23, dans la direction axiale par rapport à l'axe 4 du cyclone. L'organe d'obturation 22 a par exemple une forme cylindrique et comporte un segment de cylindre 24 traversé par un canal de passage 27 et ayant un segment d'épaulement 25 coopérant avec le siège de soupape 21. Le segment d'épaulement 25 est prévu à la périphérie du segment de cylindre 24. Le siège de soupape 21 est prévu à un épaulement 36 du canal de sortie des gaz 9 sous la forme d'un siège plat. Selon l'invention, l'orifice de sortie 14 est formé par la section d'un premier orifice partiel 14.1 et de la section d'un second orifice partiel 14.2. Lorsque l'organe d'obturation 22 est appliqué contre le siège de soupape 21, l'orifice de sortie 14 du canal de sortie des gaz 9 a une section de passage minimale formée par la première ouverture partielle 14. 1; lors du soulèvement de l'organe d'obturation 22 par rapport au siège de soupape 21, l'orifice de sortie 14 s'agrandit de la section de passage ouverte en plus correspondant à la seconde ouverture partielle 14.2 jusqu'à une section de passage maximale. Plus l'organe d'obturation 22 est soulevé du siège de soupape 21 et plus grande sera la section de passage efficace de l'orifice de sortie 14 formée entre la première et la seconde ouverture partielle 14.1, 14.2. La section de pas-sage maximale de l'orifice de sortie 14 est par exemple conçue pour ne pas dépasser une perte de pression maximale de 20 millibars dans le cyclone 1. La première ouverture partielle 14.1 de l'orifice de sortie 14 est formée par l'ouverture 26 du canal de passage 27 dans l'organe d'obturation 22; cette ouverture a par exemple une forme circulaire et une section constante. L'ouverture 26 a par exemple un diamètre de 3 millimètres mais il est expressément indiqué qu'elle peut avoir n'importe quelle dimension. Le canal de passage 27 va en s'élargissant à partir de l'ouverture 26 dans la direction d'écoulement pour récupérer de la pression. Mais cela n'influence toutefois pas le diamètre du tour-billon intérieur. L'orifice de passage 27 débouche en aval dans le canal de sortie des gaz 9 ou dans la conduite de gaz nettoyés 12. Après le soulèvement de l'organe d'obturation 22 par rapport au siège de soupape 21, la section de passage de l'orifice de sortie 14 formée par la première ouverture partielle 14.1 et en plus par l'intervalle 28 par exemple annulaire entre l'organe d'obturation 22 et le siège de soupape 21 formant la seconde ouverture partielle 14.2. Plus l'organe d'obturation 22 est éloigné de son siège de soupape 21 et plus grand sera l'intervalle 28 et ainsi la section de passage de la seconde ouverture partielle 14.2. Pour de faibles débits volumiques, l'organe d'obturation 22 est appliqué contre le siège de soupape 21 si bien que l'intervalle 28 est fermé et que seule la section de passage minimale correspondant à la première ouverture partielle 14.1 peut être traversée. Lorsqu'on dé-passe un certain débit volumique, l'organe d'obturation 22 se soulève du siège 24 pour augmenter la section de passage de l'orifice de sortie 14 avec la seconde ouverture partielle 14.2. L'organe d'obturation 22 est par exemple déplacé par un actionneur et/ou à l'aide des forces aérauliques agissant sur l'organe d'obturation 22 engendrées par les gaz traversant le cyclone 1. L'organe d'obturation 22 peut être régulé de manière aéraulique pour que sa po- sition résulte de l'équilibre des forces qui lui sont appliquées. Dans le cas d'un équilibre des forces, le poids de l'organe d'obturation est par exemple la force d'un ressort de rappel 29 qui pousse l'organe d'obturation vers le siège de soupape 21 et les forces aérauliques agis-sent sur l'organe d'obturation 22 dans la direction opposée de celle du siège de soupape 21. Plus le débit volumique traversant le cyclone 1 est important et plus importantes seront les forces aérauliques de sorte que l'organe d'obturation 22 s'ouvrira en s'écartant de plus en plus du siège de soupape 21 à mesure que le débit volumique augmente. La section de passage de l'orifice de sortie 14 et ainsi le diamètre du tourbillon in- térieur augmenteront. Lorsque le débit volumique diminue à travers le cyclone 1, l'organe d'obturation 22 se déplacera de nouveau dans la di- rection de fermeture vers le siège de soupape 21 et adapte ainsi la section de passage de l'orifice de sortie 14 et ainsi le diamètre du tourbillon intérieur à ce débit volumique. Le poids de l'organe d'obturation 22 et/ou la force du ressort de rappel 29 sont par exemple conçus pour qu'une perte de pression ou de charge du cyclone 1 comprise entre 3 et 7 millibars, soulève l'organe d'obturation 22 du siège de soupape 21. Le ressort de rappel 29 s'appuie par exemple par une ex- trémité contre le canal de sortie des gaz 9 ou contre la conduite des gaz nettoyés 12, et son autre extrémité agit sur l'organe d'obturation 22. Le ressort de rappel 29 est par exemple sous forme de ressort hélicoïdal. La figure 2 est une vue partielle d'un premier exemple de réalisation du dispositif de l'invention. Dans le cas du dispositif de la figure 2, on a utilisé les mêmes références qu'à la figure 1 pour désigner les mêmes éléments ou des éléments analogues. Selon l'invention, l'élément de commutation 20 et le siège de soupape 21 forment un joint en labyrinthe 32; ce joint comporte au moins une collerette annulaire 34 pénétrant dans une cavité annulaire 33. La collerette annulaire 34 est par exemple prévue sur l'élément de commutation 20 et la cavité 34 sur le siège de soupape 21; l'inverse est également possible. La cavité annulaire 33 est par exemple en forme de gorge ou de rainure. Lorsque l'élément de commutation 20 est appliqué contre le siège de soupape 21, le premier intervalle 28 est fermé et est rendu étanche par le joint en labyrinthe 32. Lorsque l'élément de commutation 20 se soulève du siège de soupape 21, on forme l'intervalle 28 et celui-ci augmente avec la section de passage de l'orifice de sortie 14. L'intervalle 28 est traversé dans la direction radiale par rapport à l'axe 4 du cy- clone, de l'intérieur vers l'extérieur; l'écoulement de l'intervalle 28 subit plusieurs déviations. L'intervalle 28 est par exemple en forme de méandre si l'on regarde dans la direction radiale. Ces déviations de l'écoulement assurent une séparation supplémentaire par inertie du li- quide. Le liquide se dépose sur les parois de l'intervalle 28. Le joint en labyrinthe 32 est formé par exemple par au moins une collerette annulaire 34 pénétrant dans une cavité 33; la collerette annulaire 34 est par exemple prévue sur l'élément de commutation 20 et la cavité annulaire 33 sur le siège de soupape 21. La collerette annulaire 34 a une forme quelconque par rapport à sa section dans la direction axiale; la forme est par exemple carrée, rectangulaire, trapézoïdale ou triangulaire. Les arêtes de la collerette annulaire 34 peuvent être vives ou arrondies. La figure 3 est une vue partielle d'un second exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans le dispositif de la figure 3 on a utilisé les mêmes références que le dispositif de la figure 1 pour les mêmes éléments ou des éléments analogues. Le dispositif de la figure 3 se distingue de celui de la figure 2 simplement par deux cavités annulaires 33 dans le siège de sou- pape 21. Par exemple, les deux cavités annulaires 33 sont écartées dans la direction radiale en étant concentriques. Pour le dispositif de la figure 4, on a utilisé les mêmes références que pour le dispositif des figures 1 à 3 pour désigner les mêmes éléments ou des éléments analogues. Le dispositif de la figure 4 se distingue du dispositif de la figure 1 en ce que l'organe d'obturation 22 est réalisé sous la forme d'un couvercle 35 fermant la face frontale du cyclone 1. Ce couvercle comporte un segment de cylindre 24 avec un canal de passage 27 et le segment d'épaulement 25. Le couvercle 35 a sensiblement le diamètre du segment d'entrée 2 du cyclone 1. L'épaulement 36 avec le siège de sou-pape 21 n'est pas prévu sur le canal de sortie de gaz 9 mais sur le segment d'entrée 2 du cyclone 1, par exemple à l'extrémité du segment d'entrée 2 à l'opposé du segment conique ou tronc de cône 3. Le couvercle 35 est installé de manière mobile comme l'organe d'obturation de la figure 1 entre le siège de soupape 21 et la butée 23 suivant la direction de l'axe 4 du cyclone. Le couvercle 35 et le siège de soupape 21 forment un joint en labyrinthe 32 ayant au moins une collerette annulaire 34 et au moins une cavité annulaire 33. La collerette annulaire 34 est par exemple prévue sur le couvercle 35 et la cavité 33 sur le siège de soupape 21 ou inversement. io REVENDICATIONS 1 ) Dispositif pour séparer un liquide d'une veine de gaz d'un carter de vilebrequin d'un moteur à combustion interne, comportant au moins un cyclone ayant une entrée de gaz et une sortie de gaz avec un orifice de sortie, caractérisé en ce que la section d'ouverture de l'orifice de sortie (14) peut être modifiée par un élément de commutation (20) coopérant avec un siège de soupape (21) du canal de sortie de gaz (9) , et l'élément de commutation (20) et le siège de soupape (21) forment un joint en labyrinthe (32) comportant au moins une collerette annulaire (32) pénétrant dans une cavité (33). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la collerette annulaire (34) est prévue sur l'élément de commutation (20) et la cavité (33) sur le siège de soupape (21). 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors du soulèvement de l'élément de commutation (20) par rapport au siège de soupape (21), il se forme un intervalle (28) qui augmente la section d'ouverture de l'orifice de sortie (14). 4 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'intervalle (28) sert en outre à réaliser la séparation du liquide. 5 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'intervalle (28) est traversé dans la direction radiale par rapport à l'axe (4) du cyclone et la veine traverse l'intervalle (28) avec plusieurs déviations. 6 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'intervalle (28) est en forme de méandre lorsqu'on le regarde dans la direction radiale par rapport à l'axe (4) du cyclone. 7 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la collerette annulaire (34) a une section carrée, rectangulaire, trapézoïdale ou triangulaire. 8 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de commutation (20) est un organe d'obturation (22) mobile dans la direction axiale par rapport à l'axe (4) du cyclone et poussé par un ressort de rappel (29) en direction du siège de soupape (21). 9 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de commutation (20) est un couvercle fermant la face frontale du cyclone (1).