Brevet FR3102218A1 — publié le 20210423

L’invention concerne un dispositif d’isolation thermo-catalytique d’un moteur à combustion interne, du type comprenant un bloc-cylindres (12) et une culasse (18) entre lesquels est disposé un joint de culasse (32), ainsi que des cylindres (10) dans chacun desquels est disposé un piston (16) mobile qui définit une chambre de combustion (30) dont les parois internes sont délimitées par la partie de la culasse en regard du piston et une surface supérieure du piston, les parois internes de la chambre de combustion étant revêtues d’un isolant thermique, caractérisé en ce que ledit isolant thermique est constitué d’un revêtement monocouche (50), comportant à sa surface des particules de matériau catalytique apte à catalyser l’oxydation d’au moins une partie des hydrocarbures imbrûlés présents dans la chambre de combustion. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 Dispositif d’isolation thermo-catalytique d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile La présente invention concerne un dispositif d’isolation thermo-catalytique d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile. Le moteur à combustion interne génère des gaz d’échappement qui sont évacués vers un environnement extérieur hors du moteur à combustion interne par l’intermédiaire d'une ligne d'échappement. Les gaz d’échappement comprennent notamment des hydrocarbures imbrûlés (HC) qu'il est souhaitable d’oxyder préalablement à leur évacuation vers l’environnement extérieur. Des systèmes de post-traitement des gaz d’échappement des moteurs à combustion interne placés dans la ligne d’échappement du moteur pour le traitement desdits gaz, sont bien connus. En particulier, parmi les solutions connues pour traiter les hydrocarbures imbrûlés (HC) émis dans les gaz d’échappement, on connaît l’utilisation du catalyseur 3 voies pour le moteur à allumage commandé (du type fonctionnant à l’essence) ou bien d’un catalyseur d’oxydation (DOC, acronyme pour « Diesel Oxydation Catalyst ») pour le moteur à allumage par compression (du type Diesel). L’efficacité de l’oxydation des hydrocarbures imbrulés dépend de la température du catalyseur et de la température des gaz en sortie des chambres de combustion du moteur, qui traversent ce catalyseur monté dans la ligne d’échappement. Aussi, il est nécessaire de pouvoir atteindre rapidement le niveau de température d’amorçage requis par le catalyseur et de le maintenir dans une fenêtre d’efficacité optimale. Par température d’amorçage, on entend, de manière connue, une température minimale pour laquelle l’efficacité de traitement du catalyseur atteint une valeur minimale prédéterminée. Actuellement, l’atteinte de cette température d’amorçage passe, entre autres, par un enrichissement en carburant du mélange ce qui se traduit par une surconsommation. On procède notamment à des combustions retardées, dont le rendement est dégradé et dont les pertes thermiques sont par conséquent plus importantes qu’en fonctionnement habituel à chaud. En augmentant la consommation de carburant, on augmente aussi la production de dioxyde de carbone (CO2). Or, la prise de conscience environnementale a conduit à la mise en place de normes d’émissions de plus en plus restrictives. En particulier, on voit se généraliser des essais de cycles d’homologation des véhicules de type RDE (acronyme pour « Real Drive Emissions »), afin d’appréhender avec une meilleure précision la consommation et les émissions liées à l’utilisation d’un véhicule en conditions réelles. Dans ce contexte, les quantités d’hydrocarbures imbrûlés à traiter peuvent rester trop importantes, ce qui entraîne une problématique environnementale avec des émissions polluantes plus importantes pendant les phases froides. Egalement, les moteurs à combustion interne sont maintenant couramment équipés d’un système d’arrêt et de redémarrage automatique, dit de "stop & start". Le fait de disposer d’un tel système commandant de tels cycles d’arrêt et de redémarrage automatique du moteur fait que le moteur s’arrête beaucoup plus souvent qu’un moteur non équipé d’un tel système, notamment à chaque arrêt du véhicule, ce qui a pour effet d’entraîner un refroidissement du catalyseur. De surcroît, dans le cas d’un véhicule automobile hybride, qui est équipé, en plus d’un moteur à combustion interne, d’un moyen annexe de propulsion, tel qu’un moteur électrique ou analogue, le moteur à combustion interne est fréquemment mis à l’arrêt pour être suppléé par le moyen annexe de propulsion, ce qui induit un refroidissement préjudiciable du catalyseur. D’autre part, la réduction des émissions de CO2 demeure un enjeu capital pour les constructeurs automobiles, les incitant à améliorer l’efficacité du système de combustion lui-même. Pour ce faire, la recherche d’un meilleur rendement du moteur est indispensable. Un des moyens d’amélioration connus des performances repose sur une réduction des pertes thermiques aux parois de la chambre de combustion, dite aussi « adiabatisation ». L’adiabatisation de la chambre de combustion par revêtements à faible diffusivité peut apporter des gains de rendement moteur. Les revêtements (« coatings ») les mieux adaptés dans ce cas sont nécessairement des matériaux poreux. Par conséquent, l’état de la surface revêtue par le revêtement est dégradé par la structure intrinsèque d’un tel revêtement, ce qui rend cette surface propice à la création des hydrocarbures imbrûlés. Aussi, en voulant traiter le problème d’émission de CO2 par une recherche de rendement plus élevé du moteur, on y substitue un problème d’émissions d’hydrocarbures imbrûlés. Pour pallier ce problème de création des hydrocarbures imbrûlés, on peut prévoir un dépôt supplémentaire d’une couche d’étanchéité solide d’une très faible épaisseur pour obturer les pores du revêtement isolant servant de barrière thermique au niveau des parois de la chambre de combustion. Le document de brevet EP2955251B1 fait connaître une telle solution. Ainsi, il décrit une structure de film d’isolation thermique comportant une surface de base constituée d’un alliage d’aluminium, sur laquelle est formé un premier revêtement d’oxydation anodique ayant une rugosité de surface moyenne Ra de 4 à 5 μm, et présentant une surface dans laquelle des pores sont formés. Un second revêtement d’étanchéité est ensuite formé sur le premier revêtement d’oxydation anodique de façon à en recouvrir la surface poreuse. Ce revêtement d’étanchéité comprend des particules d’une matière d’isolation thermique, les particules étant des particules de silice creuse ayant un diamètre de particule primaire moyen qui est plus grand qu’un diamètre extérieur des pores et plus grand que 30 nm et ayant un diamètre de particule secondaire moyen de moins de 1 μm. L’ensemble constitue ainsi une structure multicouches d’isolation thermique dans laquelle la rugosité de surface Ra est égale ou inférieure à 1 μm. La structure multicouches d’isolation thermique selon ce document présente toutefois un gain en adiabatisation, et donc un gain en production de CO2, limité, car le second revêtement d’étanchéité qui est ajouté sur le premier revêtement isolant pour limiter la production d’hydrocarbures imbrûlés, due à la surface poreuse de ce premier revêtement, lui fait perdre une partie de ses propriétés thermiques. Autrement dit, la présence du revêtement d’étanchéité entraine une détérioration des propriétés thermiques de l’isolant, qui rend ce dernier moins efficace, et donc joue à nouveau défavorablement du point de vue de la production de CO2. On connaît aussi du document US6240912B1 une méthode d’oxydation catalytique des hydrocarbures imbrûlés dans la chambre de combustion des moteurs à essence à injection indirecte. Cette méthode prévoit le dépôt de matériaux catalytiques tels que le platine, le palladium, le rhodium à la surface supérieure du piston. Toutefois, un inconvénient réside ici dans l’amorçage d’un catalyseur dans la zone à basse température (250 à 300°C). On évite ainsi de devoir trop dégrader le rendement de la combustion à froid pour chauffer le catalyseur en traitant dans une certaine mesure les hydrocarbures imbrûlés à la source. Toutefois, selon cette méthode, les hydrocarbures imbrûlés ne sont pas traités là où ils se concentrent majoritairement, c’est-à-dire au niveau de la hauteur de compression du piston. Or, le phénomène de piégeage des hydrocarbures imbrûlés dans les volumes morts de la chambre de combustion constitue une source majeure des émissions d’hydrocarbures imbrûlés. De surcroît, cette solution n’a aucune action de limitation des pertes thermiques à chaud, donc aucune action de limitation du CO2. Aussi, un but de l’invention est d’obtenir de faibles émissions d’hydrocarbures imbrûlés dans les gaz de combustion du moteur, tout en maîtrisant les émissions de CO2 et la consommation de carburant. A cette fin, l’invention concerne un dispositif d’isolation thermo-catalytique pour moteur à combustion interne, du type comprenant un bloc-cylindres et une culasse entre lesquels est disposé un joint de culasse, ainsi que des cylindres dans chacun desquels est disposé un piston mobile qui définit une chambre de combustion dont les parois internes sont délimitées par la partie de la culasse en regard du piston et une face supérieure du piston, les parois internes de la chambre de combustion étant revêtue d’un isolant thermique, caractérisé en ce que ledit isolant thermique est constitué d’un revêtement monocouche, comportant à sa surface des particules de matériau catalytique aptes à catalyser l’oxydation d’au moins une partie des hydrocarbures imbrûlés présents dans la chambre de combustion. Avantageusement, ledit revêtement monocouche est déposé en outre sur la paroi interne du cylindre en regard d’un volume mort en communication fluidique avec la chambre de combustion, localisé sur une hauteur considérée entre le niveau du segment coup de feu du piston au point mort haut du piston dans le cylindre et le joint de culasse. Avantageusement, ledit revêtement monocouche est déposé sur une partie de la face cylindrique externe du piston venant en regard dudit volume mort au point mort haut du piston. De préférence, ledit revêtement monocouche comporte un revêtement poreux formant barrière thermique comportant des composés tels que des silices, alumines ou de l’oxyde de zirconium. De préférence, le matériau catalytique est un métal du groupe des métaux précieux tel que le platine, le palladium ou le rhodium. Avantageusement, lesdites particules de matériau catalytique sont réparties à la surface dudit revêtement monocouche sans recouvrir ladite surface. D'autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : est une vue schématique partielle d’un moteur à combustion interne illustrant la mise en œuvre du dispositif d’isolation thermo-catalytique selon l’invention ; est une vue de détail agrandie et en coupe d’une zone au niveau de la hauteur de compression du piston de la figure 1 comportant un revêtement thermo-catalytique selon l’invention ; est une vue partielle schématique d’un substrat comportant ledit revêtement thermo-catalytique. Comme illustré à la figure 1, un moteur à combustion interne comprend au moins un cylindre 10, formé dans un bloc-cylindres 12. Le cylindre 10 comprend un fût 14 à l’intérieur duquel se déplace un piston 16 en un mouvement alternatif rectiligne. Une culasse 18 est installée dans la partie supérieure du bloc-cylindres 12 et ferme le cylindre 10 en partie haute. Des moyens d’admission 20, comportant une tubulure d’admission 22 et une soupape d’admission, non représentée, et des moyens d’échappement 24 des gaz brûlés, comportant une une tubulure d’échappement 26 et une soupape d’échappement, non représentée, sont formés dans la culasse 18. Le piston 16 comprend une tête de piston 160 située en partie haute du piston. La tête de piston 160 comprend une série de segments 162 placée dans des rainures sur la surface périphérie externe de la tête de piston 160. Les segments 162 de pistons sont prévus pour être reçus dans le fût 14 du bloc-cylindres dont la paroi interne 28 constitue la surface de portée des différents segments 162. Ainsi, une chambre de combustion 30 de ce moteur est formée par la partie de la culasse 14 en regard du piston 16 et une surface supérieure du piston 16. Autrement dit, les parois internes de la chambre de combustion 30 sont constituées par la partie de la culasse 14 en regard du piston 16 et la surface supérieure du piston 16. Conformément à l’invention, on propose en premier lieu d’effectuer un dépôt d’un isolant thermique sur les parois internes de la chambre de combustion 30. On dépose pour ce faire sur les parois de la chambre de combustion 30, un revêtement poreux 40 (figure 3) comportant des composés tels que notamment des silices, alumines ou de l’oxyde de zirconium. Ce revêtement d’isolation thermique 40 qui a une surface dans laquelle des pores sont formées, correspond par exemple au revêtement obtenu par la première étape de traitement d’oxydation anodique mise en œuvre dans le procédé de formation d’un film d’isolation thermique selon le document EP2955251B1 discuté en préambule. Le revêtement d’isolation thermique 40 est ainsi déposé principalement sur la surface supérieure du piston, ainsi que sur la partie de la culasse 14 en regard du piston. Il peut également être déposé sur les soupapes respectives des moyens d’admission 20 et d’échappement 24, ou encore au niveau de parois de la tubulure d’échappement. Toutefois, on a vu qu’un tel revêtement d’isolation thermique, s’il participe à l’augmentation du rendement du moteur, était loin d’être satisfaisant sur le plan de l’efficacité contre l’émission des hydrocarbures imbrûlés, du fait que ce revêtement comporte des pores propices à la création des hydrocarbures imbrulés. Ainsi, on prévoit, selon l’invention, de placer des éléments catalytiques directement en surface du revêtement d’isolation thermique 40, de façon à traiter les hydrocarbures imbrûlés in situ, c’est-à-dire directement dans la chambre de combustion, afin d’obtenir ainsi une dépollution à la source et ce, sans obturer les pores du revêtement d’isolation thermique pour ne pas dégrader l’efficacité thermique de ce revêtement. Par contraste, le document précité prévoit l’ajout d’obturateurs de pores par le dépôt d’un revêtement d’étanchéité à base de silice reçu dans les pores ouverts du revêtement d’isolation thermique, de façon à créer une couche uniforme sur le revêtement d’isolation thermique, pour pallier le problème de création des hydrocarbures imbrûlés. Selon l’invention, l’absence du revêtement d’étanchéité permet d’améliorer l’isolation thermique de la chambre de combustion en évitant de dégrader les caractéristiques thermiques du revêtement poreux d’isolation thermique. Les hydrocarbures imbrûlés qui sont créés en plus à la surface rugueuse du revêtement d’isolation thermique 40 sont alors traités, selon l’invention, par un matériau catalytique, déposé directement en surface du revêtement d’isolation thermique, actif vis-à-vis de la combustion des hydrocarbures. Le dépôt du matériau catalytique est réalisé en déposant des précurseurs du matériau catalytique directement en surface du revêtement d’isolation thermique, tels que des composés précurseurs d’un métal du groupe des métaux précieux platine (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), ou analogue, ou tout composé à effet catalytique accélérant les vitesses d’oxydation des hydrocarbures imbrûlés. L’imprégnation du revêtement d’isolation thermique 40 avec une solution comprenant un ou plusieurs de ces composés permet d’obtenir à la surface du revêtement d’isolation thermique 40, via un traitement approprié, une répartition de particules 41 de matériau catalytique actif. Les particules 41 de matériau catalytique présentent un diamètre moyen inférieur au diamètre des pores ouverts de la surface du revêtement d’isolation thermique. Elles sont réparties à la surface du revêtement d’isolation thermique sans la recouvrir. Après dépôt du matériau catalytique 41 directement à sa surface, le revêtement d’isolation thermique 40 forme ainsi un revêtement monocouche 50, constituant une barrière thermo-catalytique. Ce revêtement monocouche intègre en effet les deux fonctions, respectivement thermique et catalytique, agissant synergiquement pour augmenter le rendement du moteur d’une part, et agir vis-à-vis des hydrocarbures imbrûlés, d’autre part. Le revêtement final obtenu ne comprend pas ensuite de revêtement d’étanchéité destiné à obturer les pores comme dans l’art antérieur. Sans la présence d’un tel revêtement d’étanchéité, l’efficacité thermique du revêtement d’isolation thermique 40 n’est pas dégradée, ce qui limite les pertes thermiques. Partant, la température est plus importante au niveau de la barrière thermo-catalytique, ce qui favorise l’oxydation des hydrocarbures imbrûlés dans la chambre de combustion par les particules de matériau catalytique à base de métaux précieux qui sont déposées à la surface du revêtement d’isolation thermique 40. En outre, le rendement de combustion en local s’en trouve également favorisé dû à l’exotherme de la réaction catalytique. La présence de la barrière thermo-catalytique contribue aussi à une augmentation de la température des gaz en sortie de la chambre de combustion 30, ce qui est particulièrement favorable pour diminuer le temps d’amorçage du système de post-traitement des gaz classiquement placé dans la ligne d’échappement du moteur. Durant le fonctionnement du moteur, un mélange air carburant est admis dans la chambre de combustion 30 du moteur pendant la phase d’admission du moteur au travers de sa tubulure d’admission 22. Ce mélange introduit dans la chambre de combustion du moteur occupe alors tout le volume de cette chambre de combustion. Comme illustré sur la vue de détail agrandie de la figure 2, le mélange va aller se loger dans tous les endroits de la chambre de combustion 30, et plus particulièrement dans les zones du volume mort V formé par la hauteur H importante du premier cordon, généralement considérée entre le niveau du premier segment 162, dit segment "coup de feu", au point mort haut du piston et le joint de culasse 32, disposé entre la culasse 14 et le bloc cylindre 12. Ce volume mort V s’étendant entre la surface cylindrique externe du piston et le fût du cylindre est en communication fluidique avec la chambre de combustion. Ces zones sont difficilement accessibles à la flamme et relativement froides du fait d’échanges thermiques importants avec les parois environnantes du cylindre. Il devient alors difficile de brûler le mélange présent dans ces zones du fait des faibles conditions de température et une flamme ne peut donc correctement s'y propager. Le mélange dans ces zones risque donc fortement de ne pas brûler. Or, la quantité de carburant du mélange de ces zones peut représenter une partie non négligeable de la masse du carburant injecté. La non-consommation de ce carburant dégrade alors le rendement de combustion et est responsable d’émissions importantes d’hydrocarbures imbrûlés difficiles à post-traiter. Aussi, on prévoit, selon l’invention, d’appliquer le revêtement monocouche 50 formant barrière thermo-catalytique, non seulement sur les parois internes de la chambre de combustion 30 comme expliqué précédemment, mais également sur la paroi interne du fût de cylindre sur la zone de hauteur H correspondant au volume mort V au premier cordon. Le revêtement monocouche 50 pourra également avantageusement être déposé sur la partie de la surface cylindrique externe du piston venant en regard de ce volume mort au point mort haut du piston dans le cylindre. Le revêtement monocouche formant barrière thermo-catalytique, déposé sur les fûts du cylindre à la hauteur H définie entre le joint de culasse 32 et l’altitude du segment coup de feu au point mort haut du piston, permet ainsi de libérer par oxydation, l’énergie des hydrocarbures imbrûlés piégés dans le volume mort V entre le piston et le fût. Dispositif d’isolation thermo-catalytique d’un moteur à combustion interne, du type comprenant un bloc-cylindres (12) et une culasse (18) entre lesquels est disposé un joint de culasse (32), ainsi que des cylindres (10) dans chacun desquels est disposé un piston (16) mobile qui définit une chambre de combustion (30) dont les parois internes sont délimitées par la partie de la culasse en regard du piston et une surface supérieure du piston, les parois internes de la chambre de combustion étant revêtues d’un isolant thermique, caractérisé en ce que ledit isolant thermique est constitué d’un revêtement monocouche (50), comportant à sa surface des particules (41) de matériau catalytique apte à catalyser l’oxydation d’au moins une partie des hydrocarbures imbrûlés présents dans la chambre de combustion. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement monocouche (50) est déposé en outre sur la paroi interne du cylindre en regard d’un volume mort (V) en communication fluidique avec la chambre de combustion (30), localisé sur une hauteur considérée entre le niveau du segment coup de feu du piston (16) au point mort haut du piston dans le cylindre et le joint de culasse (32). Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit revêtement monocouche (50) est déposé sur une partie de la face cylindrique externe du piston (16) venant en regard dudit volume mort (V) au point mort haut du piston. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit revêtement monocouche (50) comporte un revêtement poreux (40) formant barrière thermique comportant des composés tels que des silices, alumines ou de l’oxyde de zirconium. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau catalytique est un métal du groupe des métaux précieux tel que le platine, le palladium ou le rhodium. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites particules (41) de matériau catalytique sont réparties à la surface dudit revêtement monocouche (50) sans recouvrir ladite surface.