Brevet FR3127954A1 — publié le 20230414

Composition lubrifiante pour prévenir ou diminuer la combustion anormale dans un moteur La présente demande concerne l’utilisation d’une composition lubrifiante comprenant une ou plusieurs huiles de base et au moins un composé spiro de formule (I) : dans laquelle M est un atome choisi parmi le bore et l’aluminium ; R représentent, indépendamment l’un de l’autre, un groupement hydrocarboné comprenant de 1 à 50 atomes de carbone ; et n1 et n2 valent, indépendamment l’un de l’autre, 0, 1 ou 2 ; pour prévenir et/ou diminuer la combustion anormale du carburant dans un moteur lubrifié au moyen de ladite composition lubrifiante, en particulier dans un moteur fonctionnant au gaz. Composition lubrifiante pour prévenir ou diminuer la combustion anormale dans un moteur La présente invention concerne le domaine des compositions lubrifiantes, notamment utilisables dans des moteurs, en particulier des moteurs fonctionnant au gaz (naturel liquéfié, comprimé, ou à hydrogène). Plus précisément, la présente invention concerne des compositions lubrifiantes permettant de prévenir ou diminuer la combustion anormale du carburant dans un moteur, et notamment les phénomènes de pré-allumage et de cliquetis dans un moteur, en particulier dans un moteur à gaz. Dans le but d’améliorer la qualité de l’air et de respecter les restrictions gouvernementales en termes de réduction des émissions de gaz à effet de serre, de nombreux constructeurs de moteurs de véhicules étudient l’utilisation de gaz, en particulier d’hydrogène, comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Or, les gaz, que ce soit le gaz naturel ou l’hydrogène, ont une capacité calorifique supérieure à celle des hydrocarbures liquides, et les moteurs à gaz génèrent ainsi des températures de combustion plus élevées que les moteurs fonctionnant aux hydrocarbures liquides. Ceci impose des exigences sévères aux lubrifiants mis en œuvre dans ces moteurs et donc le développement de lubrifiants dédiés. Les moteurs alimentés à l’hydrogène et, plus généralement, les moteurs à gaz, sont plus particulièrement sujets à un phénomène indésirable de combustion anormale, connu sous le nom de pré-allumage. Ce phénomène peut être considéré comme une explosion incontrôlée se produisant dans la chambre de combustion à la suite de l’allumage, par une source autre que la bougie d’allumage, d’éléments combustibles, pouvant provenir du carburant, mais également de petites quantités de lubrifiant moteur se trouvant dans la chambre de combustion. Plus récemment, le pré-allumage à basse vitesse, plus connu sous l’appellation « LSPI » (pour « Low Speed Pre-Ignition » en terminologie anglo-saxonne) a été identifié, et se produit généralement à de faibles vitesses et charges élevées. Le phénomène de pré-allumage est susceptible d’avoir un impact négatif significatif sur l’efficacité et les performances globales du moteur, voire de causer des dommages significatifs aux cylindres, pistons, bougies et soupapes dans le moteur, pouvant aller jusqu’à une panne de moteur, voire à une casse de moteur. Par conséquent, des études ont porté sur la compréhension de l’origine du LSPI avec, pour objectif, de réduire, voire de supprimer, l’occurrence de ce phénomène. Plusieurs études ont ainsi montré que la fréquence de LSPI est sensible à la composition du lubrifiant moteur mis en œuvre. En particulier, le calcium provenant des détergents à base de calcium a été identifié comme l’une des causes d’apparition du LSPI. Il a ainsi été suggéré de réduire la quantité en détergents à base de calcium, par exemple en sulfonate, phénate, salicylate de calcium, au profit de détergents à base de magnésium, afin de réduire l’occurrence des phénomènes LSPI (Kocsis et al , " The Impact of Lubricant Volatility, Viscosity and Detergent Chemistry on Low Speed Pre-Ignition Behavior ", SAE Int. J. Engines, 10(3):1019-1035, 2017; Ritchie et al. , « Controlling Low-Speed Pre-Ignition in Modern Automotive Equipment, Part 3: Identification of Key Additive Component Types and Other Lubricant Composition Effects on Low-Speed Pre-Ignition », SAE Int. J. Engines, 9(2) : 832-840, 2016). Les détergents à base de calcium sont présents, d’une manière générale, lors de la formulation des lubrifiants, dans le paquet d’additifs ajouté à une huile de base et dédié à procurer les performances souhaitées. Une simple diminution de la teneur en détergents à base de calcium n’est pas satisfaisante puisqu’elle se fait au détriment des capacités de détergence et de la stabilité thermique du lubrifiant moteur, se traduisant par une formation de dépôts (ou vernis) accrue dans le moteur, et est ainsi préjudiciable à la durée de vie du moteur. Quant à la solution proposée de remplacer les additifs détergents à base de calcium par des détergents à base de magnésium, elle permet certes de réduire le LSPI mais, là encore, au détriment des autres propriétés requises. En particulier, cette approche obligerait les formulateurs à utiliser une concentration extrêmement élevée et instable de ces détergents, pour s’assurer que les formulations sont capables de maintenir les performances requises (telles que le TBN ou indice de base total, et la détergence). Qui plus est, l’avantage en termes de diminution du LSPI est contrebalancé par l’impact négatif des formulations à base de magnésium sur les propriétés de réduction de la consommation de carburant des véhicules à moteur, dites encore propriétés de « Fuel Eco » (Gupta et al. , « Impact of Engine Oil Detergent on Low Speed Pre-Ignition (LSPI) and Fuel Economy Performance », SAE Technical Paper, 2020-01-1424, 2020). Le cliquetis est un autre phénomène de combustion anormale qui peut se produire notamment dans un moteur à allumage commandé de véhicules, et plus particulièrement dans un moteur à allumage commandé de véhicules automobiles, et qui est dû à l’auto-inflammation du combustible en amont du front de flamme dans la chambre de combustion. Cette auto-inflammation se propage à vitesse très élevée dans la chambre de combustion et provoque des vibrations à hautes fréquences de la masse gazeuse et des surcharges thermiques du moteur pouvant aller jusqu’à des incidents mécaniques graves. Les solutions couramment utilisées par les motoristes pour éviter ce phénomène, comme la réduction de l’avance à l’allumage, réduisent toutefois significativement le rendement des moteurs à allumage commandé. Par conséquent, des recherches se sont orientées vers le développement de nouvelles compositions lubrifiantes permettant de réduire les phénomènes de combustion anormale dans les moteurs, tels que le LSPI et le cliquetis, tout en conservant les autres propriétés recherchées pour le lubrifiant. Par exemple, le document US 2017/0015933 propose une composition lubrifiante comprenant un mélange de détergents surbasés et neutres ou « sous-basés », apportant une teneur contrôlée en calcium dans la composition. L’ajout d’additifs permettant de réduire le pré-allumage dans des compositions lubrifiantes a également été proposé. On peut citer par exemple le document US 2019/0292473 qui propose la mise en œuvre de divers composés azotés à cette fin. D’autre part, les documents US 2763613 et US 2898359 ont décrit l’utilisation de composés anti-cliquetis choisis parmi des composés organométalliques, et plus particulièrement des composés de type ferrocène dans une composition lubrifiante. On peut également citer le document WO 2004/101717 qui décrit l’utilisation de composés organométalliques à base de manganèse dans une composition lubrifiante pour réduire le phénomène de cliquetis dans un moteur. Toutefois, l’utilisation de tels composés organométalliques favorise les dépôts dans la chambre de combustion et peut ainsi entraîner des combustions anormales comme de l’allumage par point chaud qui peut causer des défaillances mécaniques importantes. De plus, ces composés peuvent présenter un risque pour la santé humaine. La présente invention vise à proposer un lubrifiant permettant, lorsque celui-ci est mis en œuvre pour la lubrification d’un système de motorisation mobile ou stationnaire, en particulier d’un moteur fonctionnant au gaz, notamment dans un véhicule automobile, de prévenir et/ou diminuer la combustion anormale, en particulier le pré-allumage, notamment le pré-allumage à basse vitesse (LSPI), ou encore le cliquetis, sans affecter les autres propriétés du lubrifiant, en particulier sa capacité de détergence. Plus particulièrement, l’invention concerne, selon un premier de ses aspects, l’utilisation d’une composition lubrifiante comprenant une ou plusieurs huiles de base et au moins un composé spiro de formule (I) suivante : dans laquelle : M est un atome choisi parmi le bore (B) et l’aluminium (Al), en particulier est un atome de bore ; n1 et n2 valent, indépendamment l’un de l’autre, 0, 1 ou 2 ; et R représentent, indépendamment l’un de l’autre, un groupement hydrocarboné comprenant de 1 à 50 atomes de carbone, en particulier de 5 à 15 atomes de carbone ; pour prévenir et/ou diminuer la combustion anormale du carburant, en particulier le pré-allumage, notamment le LSPI et/ou le cliquetis, dans un moteur, en particulier dans un moteur fonctionnant au gaz, notamment de véhicule, lubrifié au moyen de ladite composition lubrifiante. Par « combustion anormale », on entend tout phénomène au cours duquel tout ou une partie du mélange carburé est enflammé de façon non contrôlée au sein de la chambre de combustion d’un moteur, en particulier d’un moteur de véhicule, notamment de véhicule automobile. Par combustion anormale selon l’invention, on entend plus particulièrement les phénomènes de pré-allumage, incluant le pré-allumage à basse vitesse (LSPI) ; et le cliquetis, y compris le super-cliquetis ou méga-cliquetis qui peut suivre un événement de pré-allumage. Par « pré-allumage » selon l’invention, on entend inclure le phénomène de vibration basse fréquence produisant un effet sonore de ronflement (ou « Rumble » en anglais). Plus particulièrement, le « pré-allumage » est le pré-allumage à basse vitesse (LSPI). Par « carburant » selon l’invention, on entend plus particulièrement l’essence, le gazole et/ou le gaz. On désignera plus simplement, dans la suite du texte, sous l’appellation « composé spiro » selon l’invention, un composé spiro de formule (I) telle que définie ci-dessus. Des exemples de composés spiro considérés selon l’invention sont décrits plus précisément dans la suite du texte. Également, on entend plus simplement sous l’appellation « composition lubrifiante selon l’invention » ou « lubrifiant selon l’invention », une composition lubrifiante telle que définie précédemment, incorporant au moins un composé spiro selon l’invention. L’invention concerne en particulier l’utilisation d’une composition lubrifiante comprenant une ou plusieurs huiles de base et au moins un composé spiro de formule (I) tel que défini précédemment et détaillé dans la suite du texte, pour prévenir et/ou diminuer le pré-allumage, en particulier le LSPI, dans un moteur, en particulier dans un moteur fonctionnant au gaz, notamment de véhicule, lubrifié au moyen de ladite composition lubrifiante. L’invention concerne également l’utilisation d’une composition lubrifiante comprenant une ou plusieurs huiles de base et au moins un composé spiro de formule (I) tel que défini précédemment et détaillé dans la suite du texte, pour prévenir et/ou diminuer le cliquetis dans un moteur, en particulier dans un moteur fonctionnant au gaz, notamment de véhicule, lubrifié au moyen de ladite composition lubrifiante. L’invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, une composition lubrifiante destinée à la lubrification d’un moteur fonctionnant au gaz, en particulier d’un véhicule, notamment d’un véhicule automobile, comprenant au moins : - une ou plusieurs huiles de base ; - au moins un composé spiro de formule (I) tel que défini précédemment et détaillé dans la suite du texte. Selon un mode de réalisation particulier, une composition lubrifiante mise en œuvre selon l’invention comprend, outre le ou lesdits composés spiro selon l’invention, un ou plusieurs additifs détergents, en particulier choisis parmi les additifs détergents métalliques classiquement utilisés dans le domaine des lubrifiants, notamment à base de calcium ou de magnésium. Comme illustré dans les exemples qui suivent, les inventeurs ont découvert qu’il est possible, en supplémentant un lubrifiant avec un composé spiro tel que défini précédemment, même en une faible teneur, d’abaisser de manière significative la teneur en additifs détergents métalliques, en particulier en additifs détergents à base de calcium, indésirables compte-tenu de leur incidence sur l’apparition des phénomènes de combustion anormale, notamment du LSPI, tout en maintenant, et même en améliorant, la capacité de détergence du lubrifiant. De manière avantageuse, la mise en œuvre d’un composé spiro selon l’invention au niveau d’un lubrifiant permet de réduire la teneur en additifs détergents métalliques, notamment en calcium, généralement mise en œuvre pour accéder aux propriétés de détergence souhaitées, et ainsi de prévenir ou diminuer les phénomènes de combustion anormale, en particulier le phénomène de pré-allumage, notamment le LSPI, dans un moteur, par exemple un moteur à gaz, lubrifié au moyen dudit lubrifiant. La mise en œuvre d’une composition lubrifiante selon l’invention pour lubrifier un moteur, en particulier un moteur fonctionnant au gaz, permet ainsi à la fois de diminuer, voire de prévenir, les phénomènes de combustion anormale, en particulier le phénomène de pré-allumage, notamment LSPI, et d’accéder à d’excellentes propriétés de détergence. Comme illustré dans les exemples qui suivent, les propriétés de détergence du lubrifiant peuvent être appréciées via l’évaluation des performances du lubrifiant en termes de stabilité thermique par un test « MCT » (pour « Micro Coking Test » en terminologie anglo-saxonne) selon la norme GFC Lu-27-T-07, comme décrit dans les exemples. Ce test rend compte de la tendance du lubrifiant à former des dépôts/vernis dans des conditions de hautes températures semblables à celles rencontrées dans les parties les plus chaudes du moteur (de 230°C à 280°C). Avantageusement, la mise en œuvre d’une composition lubrifiante selon l’invention pour lubrifier un moteur, notamment un moteur de véhicule automobile, permet également de réduire, voire de supprimer, le phénomène de cliquetis, en particulier sans nécessiter l’ajout d’additifs anti-cliquetis dans le lubrifiant. L’abaissement de la teneur en détergents métalliques, connus comme étant une source de cendres, notamment de cendres sulfatées, permet également, de manière avantageuse, de réduire la teneur en cendres générées par le lubrifiant. En particulier, le ou lesdits additifs détergents métalliques peuvent être présents dans la composition lubrifiante de manière à procurer une teneur en élément(s) métallique(s), en particulier en calcium, inférieure ou égale à 6 000 ppm, en particulier allant de 100 ppm à 4 000 ppm, de préférence de 250 ppm à 3 000 ppm. Une composition lubrifiante selon l’invention peut avantageusement présenter une teneur en cendres sulfatées, mesurée selon la norme ASTM D874, inférieure ou égale à 2 % massique, en particulier inférieure ou égale à 1,5 % massique, et plus particulièrement inférieur ou égal à 1 %, par rapport à la masse totale de ladite composition lubrifiante. De manière avantageuse, une composition lubrifiante selon l’invention présente également de bonnes propriétés en termes de réduction de la consommation de carburant des véhicules à moteur, dites encore propriétés de « Fuel Eco » et, de fait, participe à la réduction des émissions de CO 2 . L’invention a encore pour objet un procédé ou une méthode pour prévenir et/ou diminuer la combustion anormale du carburant dans un moteur, notamment dans un moteur fonctionnant au gaz, par exemple un moteur de véhicule, comprenant la lubrification dudit moteur avec une composition lubrifiante selon l’invention telle que définie précédemment. En particulier, l’invention a pour objet un procédé ou une méthode pour prévenir et/ou diminuer le pré-allumage, en particulier à basse vitesse, dans un moteur, notamment dans un moteur fonctionnant au gaz, par exemple un moteur de véhicule, comprenant la lubrification dudit moteur avec une composition lubrifiante selon l’invention telle que définie précédemment. L’invention a également pour objet un procédé ou une méthode pour prévenir et/ou diminuer le cliquetis dans un moteur, notamment dans un moteur fonctionnant au gaz, par exemple un moteur de véhicule, comprenant la lubrification dudit moteur avec une composition lubrifiante selon l’invention telle que définie précédemment Lesdits procédés ou lesdites méthodes comprennent plus particulièrement une étape de mise en contact d’au moins une pièce mécanique dudit moteur avec une composition lubrifiante selon l’invention telle que définie ci-dessus. L’invention a encore pour objet l’utilisation d’une composition lubrifiante selon l’invention, pour la lubrification d’un moteur, notamment d’un moteur fonctionnant au gaz, par exemple d’un moteur de véhicule. L’invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, un procédé ou une méthode de lubrification d’un moteur, notamment dans un moteur fonctionnant au gaz, par exemple un moteur de véhicule, comprenant une étape de mise en contact d’au moins une pièce mécanique du moteur avec une composition lubrifiante selon l’invention telle que définie ci-dessus. Les compositions lubrifiantes selon l’invention sont avantageusement mises en œuvre pour tout type de moteurs, pour des applications mobiles ou stationnaires, pouvant être sujets, lors de leur fonctionnement, à des phénomènes de combustion anormale, en particulier au phénomène de pré-allumage, notamment de LSPI, et/ou de cliquetis. Il s’agit plus particulièrement de moteurs de combustion interne de véhicules, tels que des moteurs à essence, des moteurs Diesel, des moteurs fonctionnant au gaz. Un « moteur Diesel » au sens de l’invention est un moteur à combustion dont le carburant est le gazole. Les moteurs fonctionnant au gaz désignent des moteurs à combustion interne dont le carburant comprend au moins un gaz, incluant les biogaz. Ils incluent des moteurs fonctionnant exclusivement au gaz, dits moteurs à gaz, par exemple des moteurs fonctionnant au gaz naturel (gaz naturel liquéfié (GNL) ou gaz naturel comprimé (GNC)), et des moteurs à hydrogène, mais également des moteurs fonctionnant au gaz et à l’essence (moteurs « dual fuel » gaz/essence), des moteurs fonctionnant au gaz et au gazole (moteurs « dual fuel » gaz/gazole). Les moteurs pour une application mobile sont plus particulièrement des moteurs mis en œuvre dans des véhicules, incluant les véhicules poids-lourds, les machines mobiles dites « off road », les véhicules légers ou encore les véhicules marins. Les moteurs pour application stationnaire, ou moteurs stationnaires, peuvent trouver par exemple des applications dans des dispositifs de production d’énergie électrique. Il peut s’agir par exemple d’un moteur à gaz stationnaire. Selon un mode de réalisation particulier, la composition lubrifiante selon l’invention est mise en œuvre pour la lubrification de moteurs à gaz, notamment de moteurs à hydrogène ou à gaz naturel (GNL ou GNC). D’autres caractéristiques, variantes et avantages de la mise en œuvre d’une composition lubrifiante selon l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description et des exemples qui suivent, donnés à titre illustratif et non limitatif de l’invention. Les expressions « compris entre … et … », « allant de … à … », « formé de … à … », et « variant de … à … », doivent se comprendre bornes incluses, sauf mention contraire. Dans la description et les exemples, sauf indication contraire, les pourcentages sont des pourcentages pondéraux. Les pourcentages sont donc exprimés en masse par rapport à la masse totale de la composition. Utilisation d’une composition lubrifiante comprenant une ou plusieurs huiles de base et au moins un composé spiro de formule (I) suivante dans laquelle : M est un atome choisi parmi le bore et l’aluminium ; n1 et n2 valent, indépendamment l’un de l’autre, 0, 1 ou 2, et R représentent, indépendamment l’un de l’autre, un groupement hydrocarboné comprenant de 1 à 50 atomes de carbone, de préférence de 5 à 15 atomes de carbone ; pour prévenir et/ou diminuer la combustion anormale du carburant dans un moteur lubrifié au moyen de ladite composition lubrifiante. Utilisation selon la revendication précédente, ledit composé spiro étant de formule (I) dans laquelle les substituants R représentent, indépendamment l’un de l’autre, une chaîne aliphatique, linéaire ou ramifiée, en particulier une chaîne alkyle, de préférence linéaire, en C 1 à C 50 ; en particulier en C 3 à C 30 , notamment en C 5 à C 25 et plus particulièrement en C 8 à C 15 , plus préférentiellement en C 10 . Utilisation selon la revendication 1 ou 2, ledit composé spiro étant de formule (I) dans laquelle n1 et n2 valent 1, les substituants R étant identiques. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit composé spiro étant de formule (I) dans laquelle M est un atome de bore. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, le ou lesdits composés spiro étant mis en œuvre en une teneur comprise entre 0,1 et 20 % massique par rapport à la masse totale de ladite composition lubrifiante, en particulier comprise entre 0,2 et 15 % massique, notamment entre 0,5 et 10 % massique et plus particulièrement entre 0,5 et 5,0 % massique. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, ladite composition lubrifiante comprenant en outre au moins un additif détergent métallique, distinct du composé spiro de formule (I), choisi parmi les sels de métaux alcalins ou de métaux alcalino-terreux, surbasés ou non, en particulier parmi les sels de calcium, les sels de magnésium et leurs mélanges. Utilisation selon la revendication précédente, le ou lesdits additifs détergents métalliques étant présents en une teneur inférieure ou égale à 15 % massique, en particulier inférieure ou égale à 10 % massique et plus particulièrement de 0,5 % à 5 % massique, par rapport à la masse totale de ladite composition lubrifiante . Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, la ou les huiles de base étant présentes en une teneur d’au moins 50 % massique, par rapport à la masse totale de ladite composition lubrifiante, en particulier d’au moins 60 % massique, plus particulièrement allant de 60 à 99 % massique et de préférence de 70 à 90 % massique. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, ladite composition lubrifiante comprenant un ou plusieurs autres additifs, distincts du ou desdits composés spiro, choisi(s) parmi les additifs modificateurs de frottement, les additifs anti-usure, les additifs extrême pression, les antioxydants, les améliorants de l’indice de viscosité, les additifs abaisseurs du point d’écoulement, les dispersants, les agents anti-mousse, les épaississants, les inhibiteurs de corrosion, et leurs mélanges. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour prévenir et/ou diminuer la combustion anormale dans un moteur fonctionnant au gaz, mobile ou stationnaire, en particulier dans un moteur au gaz naturel comprimé ou liquéfié, moteur à hydrogène, moteur dual fuel gaz/essence ou dual fuel gaz/gazole. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour prévenir et/ou diminuer le préallumage, en particulier le préallumage à basse vitesse (LSPI), et/ou le cliquetis.