La présente invention se rapporte, d'une façon générale, aux dispositifs séparateurs du genre de ceux connus sous la désignation de « cyclone », qui réalisent la séparation liquide-gaz des phases en aérosol. Plus particulièrement, cette invention s'intéresse à un séparateur à cyclone, adapté pour la séparation huile-gaz dans le domaine des moteurs à combustion interne, et encore plus particulièrement un séparateur à cyclone prévu pour la séparation et la récupération des particules d'huile contenues dans les gaz de carter recyclés, dans un moteur à combustion interne de véhicule automobile.

D'une manière généralement connue, un tel séparateur à cyclone comprend, de haut en bas :

- Une entrée supérieure tangentielle des gaz renfermant des gouttes d'huile à éliminer ;

- Une zone de captage, dans laquelle les gouttes d'huile sont projetées sur la paroi du cyclone par l'effet de la force centrifug e , cette zon e éta nt ha b itu ellement de forme cylindrique ;

- Une zone de récupération de l'huile liquide, zone qui est habituellement de forme cylindrique ;

- Une boîte inférieure formant volume de stockage de l'huile recueillie.

Le séparateur à cyclone comprend encore une ouverture centrale supérieure, par laquelle ressortent les gaz libérés de leur huile.

A titre d'exemples de séparateurs à cyclone classiques, caractérisés notamment par une zone de récupération possédant une forme conique, il est fait référence aux documents de brevets FR 2 738 758 et EP 0 972 572.

Par le document de brevet FR 2 922 126, au nom du Demandeur, on connaît aussi un séparateur à cyclone dans lequel, pour limiter la hauteur totale du dispositif, la zone de forme conique est supprimée de sorte que la zone de captage, de forme cylindrique, communique directement avec le volume inférieur de stockage de l'huile recueillie. Tout en réduisant l'encombrement du séparateur à cyclone, cette conception permet d'en augmenter l'efficacité (pour une dimension donnée). Pour un séparateur à cyclone qui conserve une zone de récupération de forme conique, le document de brevet FR 2 924 364 également au nom du Demandeur propose un perfectionnement qui consiste à placer, à l'intérieur de la zone cylindrique de captage et de la zone conique de récupération de l'huile, un corps mobile verticalement et éventuellement rotatif. Ce corps interne, de forme générale cylindro-conique, délimite avec les parois du séparateur un interstice annulaire dont la section varie selon la position en hauteur de ce corps, qui est elle-même fonction du débit gazeux. Le poids du corps cyl indro-conique s'équilibre ainsi avec la résultante des forces de pression appliquées sur ce corps, de telle sorte que la vitesse du flux gazeux et les pertes de charge restent sensiblement constantes. On obtient donc, par ce moyen , une efficacité elle-même constante du séparateur à cyclone, sans induire des pertes de charge supplémentaires. En particulier, dans l'application concernée, la section de passage varie en fonction du débit gazeux, selon les régimes du moteur, ce qui permet d'obtenir une bonne séparation de l'huile à bas débit et de limiter les pertes de charge à haut débit.

Toutefois, cette dernière solution technique est spécifique à un séparateur à cyclone avec zone de récupération de forme conique, et ainsi elle ne permet pas de réduire l'encombrement du séparateur.

La présente invention vise à perfectionner encore plus fortement les séparateurs à cyclone, en réunissant les avantages des séparateurs sans zone conique et ceux des séparateurs avec section de passage variable, tout en évitant leurs inconvénients respectifs, de manière à optimiser leur fonctionnement et leur efficacité à tous débits, tout en limitant leur encombrement.

A cet effet, l'invention a pour objet un séparateur à cyclone, en particul ier prévu pour la séparation huile-gaz et plus particulièrement prévu pour la séparation et la récupération des particules d'huile contenues dans les gaz de carter recyclés, dans un moteur à combustion interne de véhicule automobile,

le séparateur à cyclone comportant, de haut en bas : une entrée supérieure tangentielle des gaz contenant des particules et notamment des gouttes d'huile à éliminer, une zone cylindrique de captage des particules et notamment de l'huile liquide, et une zone inférieure de stockage de la phase, telle que l'huile, qui a été séparée, tandis qu'est prévue une sortie axiale des gaz, le corps extérieur du séparateur à cyclone possédant une forme globalement cylindrique à fond plat, sans zone inférieure conique,

ce séparateur à cyclone étant essentiellement caractérisé par le fait qu'est monté mobile verticalement, dans le corps extérieur, un corps intérieur évidé à symétrie de révolution coopérant avec le débouché de l'entrée supérieure tangentielle des gaz et/ou avec le départ de la sortie axiale des gaz, de manière à rendre la section de passage des gaz variable selon la position en hauteur dudit corps intérieur.

L'invention repose ainsi sur la découverte que, même dans le cas d'un séparateur à cyclone dépourvu de zone inférieure conique, donc présentant extérieurement une forme globalement cylindrique, il est possible de faire varier la section de passage des gaz, en particulier à l'entrée et/ou à la sortie de ces gaz.

Plus précisément, en fonctionnement, le corps intérieur mobile verticalement, sous l'effet de son propre poids et éventuellement d'un ressort (comme précisé plus bas), obture de façon relativement importante l'entrée et/ou la sortie des gaz aux faibles débits. A l'inverse, aux débits élevés, le flux gazeux soulève le corps intérieur mobile ce qui augmente la section de passage des gaz à l'entrée et/ou à la sortie du séparateur, et fait corrélativement diminuer les pertes de charge. Le corps intérieur se soulève ou s'abaisse ainsi, de manière à conserver une position d'équilibre.

Avantageusement, le corps intérieur mobile verticalement possède une zone supérieure d'allure générale cylindrique, apte à masquer plus ou moins le débouché de l'entrée supérieure tangentielle des gaz, selon la position en hauteur dudit corps intérieur.

Dans le mode de réalisation le plus simple, la zone supérieure du corps intérieur mobile verticalement est prolongée, vers le bas, par une partie tubulaire de ce corps intérieur mobile qui constitue elle-même le départ de la sortie axiale des gaz (sans autre particularité à ce niveau).

Toutefois, selon un mode de réalisation préféré du séparateur à cyclone objet de l'invention, la partie inférieure du corps intérieur mobile verticalement est prévue pour coopérer avec un élément central fixe monté à l'intérieur du séparateur à cyclone, de manière à faire varier la section de passage au départ de la sortie axiale des gaz, selon la position en hauteur dudit corps intérieur. La partie inférieure du corps intérieur mobile verticalement peut ici, notamment, présenter une forme évasée et coopérer dans ce cas avec un élément central fixe d'allure conique ou tronconique. Selon la position en hauteur du corps intérieur mobile, on obtient ainsi une variation de « l'entrefer » entre la base de ce corps intérieur et le sommet de l'élément central fixe.

Dans tous les cas, des moyens à ressort sont avantageusement prévus pour solliciter le corps intérieur mobile verticalement vers le bas.

Le corps intérieur mobile verticalement étant monté coulissant avec un certain jeu fonctionnel dans le corps extérieur du séparateur à cyclone, on prévoit encore avantageusement au moins un joint d'étanchéité placé entre le corps intérieur mobile verticalement et le corps extérieur du séparateur à cyclone, de manière à éviter les fuites ou courts-circuits internes.

Dans l'ensemble, on obtient grâce à l'invention un séparateur à cyclone qui cumule les avantages des séparateurs dépourvus de zone conique et des séparateurs avec zone con ique et corps intérieu r mobile cyl indro- conique. Ainsi, la structure du séparateur à cyclone objet de l'invention conduit à un faible encombrement, une augmentation de son efficacité à bas débit et une réduction des pertes de charge à haut débit.

De plus, le fond plat de ce séparateur à cyclone, combiné à une aspiration en un point bas unique et à un ressort qui comprime l'écoulement gazeux, permet d'avoir une impaction également dans la zone inférieure du séparateur, d'où une efficacité encore augmentée notamment à bas débit, pour un même encombrement.

De toute façon l'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages seront mis en évidence, à l'aide de la description qui suit et en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce séparateur à cyclone :

Figure 1 est une vue en coupe verticale d'un séparateur à cyclone conforme à la présente invention, dans un premier mode de réalisation, avec le corps intérieur en position basse ;

Figure 2 est une vue similaire à la figure 1 , mais avec le corps intérieur en position haute ;

Figure 3 est une vue en coupe verticale d'un séparateur à cyclone conforme à la présente invention, dans un deuxième mode de réalisation, avec le corps intérieur en position basse ;

Figure 4 est une vue similaire à la figure 3, mais avec le corps intérieur en position haute ; Figure 5 représente un détail de montage de joint, en tant que variante du mode de réalisation des figures 3 et 4 ;

Figure 6 est une vue en coupe verticale d'un séparateur à cyclone conforme à la présente invention, dans un troisième mode de réalisation.

En se référant d'abord aux figures 1 et 2 qui montrent un premier mode de réalisation, un séparateur à cyclone comprend, à l'intérieur d'un boîtier 1 , une partie « cyclone » 2 proprement dite, de forme globalement cyl i ndriq ue . La partie cyclone 2 com porte, de haut en bas : une entrée supérieure tangentielle 3 des gaz contenant de l'huile à éliminer, une zone cylindrique 4 de captage des gouttes d'huile, et un fond circulaire 5. La partie cyclone 2 comporte aussi une sortie axiale 6 supérieure pour les gaz débarrassés de leur huile, tand is que le fond plat 7 d u boîtier 1 forme un volume de stockage 8 pour l'huile récupérée par captage et stockée en phase liquide.

Dans la partie supérieure du séparateur à cyclone s'étend un conduit d'aspiration 9 horizontal, qui prolonge la sortie axiale 6 supérieure des gaz. Une communication est réalisée par un trou d'aspiration 10 entre la partie haute du volume de stockage 8 d'une part et un point du conduit d'aspiration 9 d'autre part.

La partie cyclone 2 du séparateur possède ainsi un corps extérieur

1 1 fixe, de forme cylindrique et à fond plat, sans zone inférieure conique. A l'intérieur du corps extérieur 1 1 cylindrique est monté coaxialement un corps intérieur 12, à symétrie de révolution, le corps intérieur 12 étant mobile verticalement relativement au corps extérieur 1 1 .

Le corps intérieur 12 possède une zone supérieure 13 d'allure cylindrique et de plus grand diamètre. La zone supérieure 13 est prolongée, vers le bas, par une partie tubulaire 14 de plus petit diamètre, qui s'enfonce ainsi à l'intérieur du corps extérieur 1 1 , en d irection du fond 5. L'extrémité inférieure 15 de la partie tubulaire 14 constitue le point de départ de la sortie axiale 6 des gaz.

En fonctionnement, la sortie du séparateur à cyclone crée de façon « naturelle » une perte de charge, qui est suffisante pour créer elle-même une dépression dans le volume de stockage 8, par l'intermédiaire du trou d'aspiration 10. Il en résulte déjà une grande efficacité du séparateur à cyclone, et aussi une absence de projections d'huile par la sortie axiale 6 supérieure des gaz. On notera aussi que les gaz adm is dans la partie cyclone 7 par l'entrée supérieure tangentielle 3 se divisent en :

- Un écoulement principal 16 d'abord descendant en hélice autour de la partie tubulaire 14 du corps intérieur 12, puis parcourant partiellement la zone cylindrique 4 de captage et remontant par l'intérieur de la partie tubulaire 14, pour finalement s'échapper axialement par la sortie axiale 6 et s'évacuer par le conduit d'aspiration 9 ;

- U n écou lement seconda ire 1 7 descendant j usq u 'au fond circulaire 5 de la partie cyclone 2, pour s'en échapper par un interstice annulaire 1 8 et parcourir le volume de stockage 8, avant de traverser le trou d'aspiration 10 pour finalement rejoindre le conduit d'aspiration 9 et se réunir à l'écoulement principal 16.

De plus, le corps intérieur 12 mobile verticalement intervient comme suit :

Aux faibles débits gazeux, comme le montre la figure 1 , le corps intérieur 12 occupe une position d'équilibre relativement basse, dans laquelle sa zone supérieure 1 3 de plus grand diamètre recouvre de façon importante l'entrée supérieure tangentielle 3 des gaz.

Aux débits élevés, comme le montre la figure 2, le corps intérieur 12 occupe une position d'équilibre relativement haute, sous l'effet du flux gazeux. La zone supérieure 13 du corps intérieur 12 dégage alors plus ou moins complètement l'entrée supérieure tangentielle 3, d'où une diminution de la perte de charge.

Les figures 3 et 4, sur lesquelles les éléments correspondants à ceux déjà décrits sont désignés par les mêmes repères numériques, montrent un deuxième mode de réalisation.

Dans celui-ci, le corps intérieur 12 mobile verticalement comporte une zone supérieure 13 de plus grand diamètre, prolongée vers le bas par une partie tubulaire 14 de plus petit diamètre, dont l'extrémité inférieure 15 présente une forme conique, à la manière d'un entonnoir renversé.

Cette extrémité inférieure 15 de la partie tubulaire 14 surmonte un élément central fixe 19, de forme conique, monté à l'intérieur de la partie cyclone 2 au sommet d'un pied central 20 fixé lui-même sur le fond plat 7 de la partie cyclone 2. Par ailleurs, un ressort hélicoïdal 21 , travaillant en compression, est monté entre le sommet de la partie cyclone 2 et le corps intérieur 12 mobile verticalement. Ce corps intérieur 12 est ainsi sollicité en permanence vers le bas.

Ainsi, au cours du fonctionnement du séparateur à cyclone, l'interstice annulaire ou « entrefer » 22, situé entre l'extrémité inférieure 15 de la partie tubulaire 14 du corps intérieur 12, d'une part, et l'élément central fixe 19, d'autre part, varie en fonction de la position en hauteur du corps intérieur 12. Ce dernier fait donc varier aussi bien la section d'entrée des gaz dans la partie cyclone 2 que la section de sortie des gaz.

Plus particulièrement, aux faibles débits gazeux, comme le montre la figure 3, le corps intérieur 12 occupe une position d'équilibre basse, dans laquelle :

- sa zone supérieure 13 de plus grand diamètre recouvre de façon importante l'entrée supérieure tangentielle 3 des gaz ;

- l'extrémité inférieure 15 de sa partie tubulaire 14 de plus petit diamètre est rapprochée de l'élément central fixe 19, ce qui limite la section de sortie.

Au contraire, aux débits élevés, comme le montre la figure 4, le corps intérieur 12 occupe une position d'équilibre haute, dans laquelle :

- sa zone supérieure 13 dégage plus ou moins complètement l'entrée supérieure tangentielle 3 ;

- l'extrémité inférieure 15 de sa partie tubulaire 14 est éloignée de l'élément central fixe 19, ce qui accroît la section de sortie.

Pour éviter les fuites internes aux bas débits, un joint d'étanchéité

23, qui est notamment un joint torique, est inséré entre le corps intérieur 12 mobile verticalement et le corps extérieur 1 1 . Comme le montre la figure 5, le joint d'étanchéité 23 est placé au niveau de la zone supérieure 13 du corps intérieur 12 mobile verticalement. De préférence, ce joint d'étanchéité 23 prend appui sur une surface tronconique 24 du corps extérieur 1 1 du séparateur à cyclone, pour éviter les effets de collage et diminuer les efforts.

Enfin, en se référant à la figure 6, on décrira un troisième mode de réalisation qui peut être considéré comme une évolution du deuxième mode de réalisation venant d'être décrit, cette évolution tendant vers une optimisation de certaines formes internes du séparateur à cyclone. Ainsi, dans la région supérieure du corps intérieur 12 mobile verticalement, la zone supérieure 13 conserve une allure générale cylindrique, mais elle présente une forme légèrement tronconique, avec un diamètre qui décroît vers le bas.

Dans toute sa moitié inférieure, la partie tubulaire 14 du corps intérieur 12 mobile verticalement présente une forme évasée, jusqu'à l'extrémité inférieure 15. L'élément central fixe 19 présente une forme tronconique, avec deux zones de conicités différentes qui lui confèrent un profil d'allure incurvée.

Grâce à de telles formes, lorsque le corps intérieur 12 se déplace verticalement, les sections de passage des gaz varient de façon non linéaire en fonction du déplacement, les variations de section étant rendues plus rapides aux endroits où les pertes de charge sont les plus importantes, ces endroits variant eux-mêmes en fonction de la position du corps intérieur 12. Les variations de perte de charge peuvent ainsi être compensées au mieux pour rester constantes.

Le séparateur à cyclone, décrit ci-dessus dans divers modes de réalisation, est applicable notamment à la séparation huile-gaz dans un moteur à combustion interne, en particulier pour la récupération des particules d'huile contenues dans les gaz de carter recyclés, le séparateur à cyclone étant, dans ce cas d'application, logé sous le couvre-culasse du moteur.

Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce séparateur à cyclone qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe, quels que soient notamment les détails de forme de la partie cyclone et du corps intérieur mobile verticalement, et quelle que soit la nature des fluides ou autres matières traités par le séparateur. Entrent également dans le cadre de l'invention tous aménagements additionnels, tels que l'ajout de butées limitant la course verticale ou le jeu radial du corps intérieur et/ou amortissant l'arrivée en fin de course de ce corps intérieur.