FR3102218A1 - Thermo-catalytic insulation device of an internal combustion engine of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
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. 1The invention relates to a thermo-catalytic insulation device of an internal combustion engine, of the type comprising a cylinder block (12) and a cylinder head (18) between which is arranged a cylinder head gasket (32), as well as cylinders (10) in each of which is disposed a movable piston (16) which defines a combustion chamber (30) whose internal walls are delimited by the part of the cylinder head facing the piston and an upper surface of the piston, the walls internal combustion chamber being coated with a thermal insulator, characterized in that said heat insulator consists of a single-layer coating (50), comprising on its surface particles of catalytic material capable of catalyzing the oxidation of minus a portion of the unburnt hydrocarbons present in the combustion chamber. Figure to be published with the abstract: Fig. 1
Description
La présente invention concerne un dispositif d’isolation thermo-catalytique d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile.The present invention relates to a thermo-catalytic insulation device for an internal combustion engine of a motor vehicle.
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.The internal combustion engine generates exhaust gases which are evacuated to an external environment outside the internal combustion engine via an exhaust line. The exhaust gases include in particular unburned hydrocarbons (HC) which it is desirable to oxidize prior to their evacuation to the outside environment.
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).Systems for post-treatment of exhaust gases from internal combustion engines placed in the exhaust line of the engine for the treatment of said gases are well known. In particular, among the known solutions for treating the unburned hydrocarbons (HC) emitted in the exhaust gases, the use of the 3-way catalyst for the spark-ignition engine (of the type running on gasoline) or else of an Oxidation Catalyst (DOC, acronym for "Diesel Oxidation Catalyst") for the Compression Ignition Engine (Diesel Type).
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.The efficiency of the oxidation of unburnt hydrocarbons depends on the temperature of the catalyst and the temperature of the gases leaving the combustion chambers of the engine, which pass through this catalyst mounted in the exhaust line. Also, it is necessary to be able to quickly reach the level of initiation temperature required by the catalyst and to maintain it within a window of optimal efficiency. By initiation temperature is meant, in known manner, a minimum temperature for which the efficiency of treatment of the catalyst reaches a predetermined minimum value.
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).Currently, reaching this priming temperature requires, among other things, an enrichment of fuel in the mixture, which results in overconsumption. In particular, delayed combustion is carried out, the efficiency of which is degraded and the heat losses of which are therefore greater than in normal hot operation. Increasing fuel consumption also increases the production of carbon dioxide (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.However, environmental awareness has led to the implementation of increasingly restrictive emission standards. In particular, we are seeing the generalization of RDE (acronym for "Real Drive Emissions") type vehicle certification cycle tests, in order to better understand the consumption and emissions related to the use of a vehicle in real conditions. In this context, the quantities of unburnt hydrocarbons to be treated may remain too large, which leads to an environmental problem with higher polluting emissions during the cold phases. Also, internal combustion engines are now commonly equipped with an automatic stop and restart system, called "stop & start". The fact of having such a system controlling such automatic stopping and restarting cycles of the engine means that the engine stops much more often than an engine not equipped with such a system, in particular each time the vehicle stops. , which has the effect of causing cooling of the catalyst. Moreover, in the case of a hybrid motor vehicle, which is equipped, in addition to an internal combustion engine, with ancillary means of propulsion, such as an electric motor or the like, the internal combustion engine is frequently shut down to be supplemented by the auxiliary means of propulsion, which induces a detrimental cooling of the catalyst.
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.On the other hand, reducing CO2 emissions remains a key issue for car manufacturers, encouraging them to improve the efficiency of the combustion system itself. To do this, the search for better engine performance is essential. One of the known means of improving performance is based on reducing heat losses at the walls of the combustion chamber, also known as "adiabatisation". The adiabatisation of the combustion chamber by coatings with low diffusivity can bring gains in engine efficiency. The most suitable coatings in this case are necessarily porous materials. Consequently, the state of the surface coated by the coating is degraded by the intrinsic structure of such a coating, which makes this surface conducive to the creation of unburnt hydrocarbons. Also, by wanting to deal with the problem of CO2 emissions by seeking higher engine efficiency, a problem of unburnt hydrocarbon emissions is substituted.
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.To overcome this problem of creating unburned hydrocarbons, it is possible to provide an additional deposit of a solid sealing layer of very low thickness to close the pores of the insulating coating serving as a thermal barrier at the level of the walls of the combustion chamber. .
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.The patent document EP2955251B1 discloses such a solution. Thus, it describes a thermal insulation film structure comprising a base surface made of an aluminum alloy, on which is formed a first anodic oxidation coating having an average surface roughness Ra of 4 to 5 μm, and having a surface in which pores are formed. A second sealing coating is then formed on the first anodic oxidation coating so as to cover the porous surface. This sealing coating comprises particles of a thermal insulation material, the particles being hollow silica particles having an average primary particle diameter which is larger than an outer diameter of the pores and larger than 30 nm and having an average secondary particle diameter of less than 1 μm. The assembly thus constitutes a multilayer thermal insulation structure in which the surface roughness Ra is equal to or less than 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.The multilayer thermal insulation structure according to this document, however, has a gain in adiabatization, and therefore a gain in CO2 production, limited, because the second sealing coating which is added to the first insulating coating to limit the production of hydrocarbons unburnt, due to the porous surface of this first coating, causes it to lose some of its thermal properties. In other words, the presence of the sealing coating leads to a deterioration of the thermal properties of the insulation, which makes the latter less effective, and therefore again has an unfavorable effect from the point of view of CO2 production.
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.Also known from document US6240912B1 is a method of catalytic oxidation of unburnt hydrocarbons in the combustion chamber of gasoline engines with indirect injection. This method provides for the deposition of catalytic materials such as platinum, palladium, rhodium on the upper surface of the piston. However, a disadvantage here lies in the initiation of a catalyst in the low temperature zone (250 to 300°C). This avoids having to degrade the cold combustion efficiency too much in order to heat the catalyst by treating the unburnt hydrocarbons at the source to a certain extent. However, according to this method, the unburned hydrocarbons are not treated where they are mainly concentrated, i.e. at the level of the compression height of the piston. However, the phenomenon of trapping of unburned hydrocarbons in the dead volumes of the combustion chamber constitutes a major source of unburned hydrocarbon emissions. In addition, this solution has no action to limit thermal losses when hot, therefore no action to limit 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.Also, an object of the invention is to obtain low emissions of unburnt hydrocarbons in the combustion gases of the engine, while controlling CO2 emissions and fuel consumption.
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.To this end, the invention relates to a thermo-catalytic insulation device for an internal combustion engine, of the type comprising a cylinder block and a cylinder head between which is arranged a cylinder head gasket, as well as cylinders in each of which is arranged a movable piston which defines a combustion chamber, the internal walls of which are delimited by the part of the cylinder head opposite the piston and an upper face of the piston, the internal walls of the combustion chamber being coated with a thermal insulator, characterized in that said thermal insulation consists of a single-layer coating, comprising on its surface particles of catalytic material capable of catalyzing the oxidation of at least some of the unburnt hydrocarbons present in the combustion chamber.
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.Advantageously, said single-layer coating is also deposited on the internal wall of the cylinder opposite a dead volume in fluid communication with the combustion chamber, located on a height considered between the level of the firing segment of the piston at top dead center of the piston in the cylinder and the cylinder head gasket.
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.Advantageously, said monolayer coating is deposited on a part of the outer cylindrical face of the piston coming opposite said dead volume at the top dead center of the 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.Preferably, said monolayer coating comprises a porous coating forming a thermal barrier comprising compounds such as silicas, aluminas or zirconium oxide.
De préférence, le matériau catalytique est un métal du groupe des métaux précieux tel que le platine, le palladium ou le rhodium.Preferably, the catalytic material is a metal from the group of precious metals such as platinum, palladium or rhodium.
Avantageusement, lesdites particules de matériau catalytique sont réparties à la surface dudit revêtement monocouche sans recouvrir ladite surface.Advantageously, said particles of catalytic material are distributed over the surface of said monolayer coating without covering said 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 :Other characteristics and advantages of the invention will emerge clearly from the description given of it below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which:
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.As illustrated in Figure 1, an internal combustion engine comprises at least one cylinder 10, formed in a cylinder block 12. Cylinder 10 comprises a barrel 14 inside which a piston 16 moves in rectilinear alternating motion. A cylinder head 18 is installed in the upper part of the cylinder block 12 and closes the cylinder 10 in the upper part. Inlet means 20, comprising an inlet pipe 22 and an inlet valve, not shown, and exhaust means 24 for the burnt gases, comprising an exhaust pipe 26 and an exhaust valve, not shown, are formed in the cylinder head 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.The piston 16 includes a piston head 160 located in the upper part of the piston. The piston head 160 comprises a series of rings 162 placed in grooves on the outer peripheral surface of the piston head 160. The piston rings 162 are intended to be received in the barrel 14 of the cylinder block whose inner wall 28 constitutes the bearing surface of the various 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.Thus, a combustion chamber 30 of this engine is formed by the part of the cylinder head 14 opposite the piston 16 and an upper surface of the piston 16. In other words, the internal walls of the combustion chamber 30 are formed by the part of the cylinder head 14 opposite the piston 16 and the upper surface of the 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.In accordance with the invention, it is first proposed to deposit a thermal insulator on the internal walls of the combustion chamber 30. To do this, a porous coating is deposited on the walls of the combustion chamber 30 40 (FIG. 3) comprising compounds such as in particular silicas, aluminas or zirconium oxide. This thermal insulation coating 40 which has a surface in which pores are formed, corresponds for example to the coating obtained by the first step of anodic oxidation treatment implemented in the process for forming a thermal insulation film. according to document EP2955251B1 discussed in the preamble. The thermal insulation coating 40 is thus deposited mainly on the upper surface of the piston, as well as on the part of the cylinder head 14 facing the piston. It can also be placed on the respective valves of the intake 20 and exhaust 24 means, or even at the walls of the exhaust manifold.
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.However, we have seen that such a thermal insulation coating, if it contributes to increasing the efficiency of the engine, was far from satisfactory in terms of effectiveness against the emission of unburned hydrocarbons, fact that this coating has pores conducive to the creation of unburnt hydrocarbons. Thus, provision is made, according to the invention, to place catalytic elements directly on the surface of the thermal insulation coating 40, so as to treat the unburnt hydrocarbons in situ, that is to say directly in the combustion chamber, in order to thus obtain depollution at the source and this, without blocking the pores of the thermal insulation coating so as not to degrade the thermal efficiency of this coating. By contrast, the aforementioned document provides for the addition of pore sealers by depositing a silica-based sealing coating received in the open pores of the thermal insulation coating, so as to create a uniform layer on the thermal insulation coating, to overcome the problem of creating unburnt hydrocarbons. According to the invention, the absence of the sealing coating makes it possible to improve the thermal insulation of the combustion chamber by avoiding degrading the thermal characteristics of the porous thermal insulation coating. The unburned hydrocarbons which are created in addition to the rough surface of the thermal insulation coating 40 are then treated, according to the invention, by a catalytic material, deposited directly on the surface of the thermal insulation coating, active vis-à-vis of the combustion of hydrocarbons.
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.The deposition of the catalytic material is carried out by depositing precursors of the catalytic material directly on the surface of the thermal insulation coating, such as precursor compounds of a metal from the group of precious metals platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium ( Rh), or the like, or any compound with a catalytic effect accelerating the oxidation rates of unburnt hydrocarbons. The impregnation of the thermal insulation coating 40 with a solution comprising one or more of these compounds makes it possible to obtain on the surface of the thermal insulation coating 40, via an appropriate treatment, a distribution of particles 41 of active catalytic material. The particles 41 of catalytic material have an average diameter smaller than the diameter of the open pores of the surface of the thermal insulation coating. They are distributed over the surface of the thermal insulation coating without covering it. After depositing the catalytic material 41 directly on its surface, the thermal insulation coating 40 thus forms a monolayer coating 50, constituting a thermo-catalytic barrier. This monolayer coating in fact integrates the two functions, respectively thermal and catalytic, acting synergistically to increase engine efficiency on the one hand, and to act vis-à-vis unburnt hydrocarbons, on the other.
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.The final coating obtained does not then comprise a sealing coating intended to seal the pores as in the prior art. Without the presence of such a sealing coating, the thermal efficiency of the thermal insulation coating 40 is not degraded, which limits thermal losses. Consequently, the temperature is higher at the level of the thermo-catalytic barrier, which promotes the oxidation of unburnt hydrocarbons in the combustion chamber by the particles of catalytic material based on precious metals which are deposited on the surface of the coating of thermal insulation 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.In addition, the local combustion efficiency is also favored due to the exotherm of the catalytic reaction. The presence of the thermo-catalytic barrier also contributes to an increase in the temperature of the gases leaving the combustion chamber 30, which is particularly favorable for reducing the priming time of the gas post-treatment system conventionally placed in the engine exhaust line.
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.During engine operation, an air-fuel mixture is admitted into the combustion chamber 30 of the engine during the engine intake phase through its intake manifold 22. This mixture introduced into the combustion chamber of the engine then occupies the entire volume of this combustion chamber.
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.As illustrated in the enlarged detail view of Figure 2, the mixture will lodge in all places of the combustion chamber 30, and more particularly in the areas of the dead volume V formed by the significant height H of the first bead, generally considered between the level of the first segment 162, called the "shot" segment, at the top dead center of the piston and the cylinder head gasket 32, arranged between the cylinder head 14 and the cylinder block 12. This dead volume V extending between the outer cylindrical surface of the piston and the cylinder barrel is in fluid communication with the combustion chamber.
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.These areas are difficult to access to the flame and relatively cold due to significant heat exchanges with the surrounding walls of the cylinder. It then becomes difficult to burn the mixture present in these zones due to the low temperature conditions and a flame cannot therefore properly propagate there. The mixture in these areas is therefore highly likely not to burn. However, the amount of fuel in the mixture of these zones can represent a non-negligible part of the mass of the injected fuel.
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.Non-consumption of this fuel then degrades combustion efficiency and is responsible for significant emissions of unburnt hydrocarbons that are difficult to post-treat.
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.Also, provision is made, according to the invention, to apply the single-layer coating 50 forming a thermo-catalytic barrier, not only on the internal walls of the combustion chamber 30 as explained above, but also on the internal wall of the cylinder barrel on the zone of height H corresponding to the dead volume V at the first bead. The monolayer coating 50 may also advantageously be deposited on the part of the outer cylindrical surface of the piston coming opposite this dead volume at the top dead center of the piston in the cylinder.
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.The monolayer coating forming a thermo-catalytic barrier, deposited on the barrels of the cylinder at the height H defined between the cylinder head gasket 32 and the altitude of the firing segment at the top dead center of the piston, thus makes it possible to release, by oxidation, the energy of the unburned hydrocarbons trapped in the dead volume V between the piston and the barrel.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06137212A (en) * | 1991-05-08 | 1994-05-17 | Matsumoto Kokan Kk | Engine and manufacture thereof |
| US6240912B1 (en) | 1999-11-08 | 2001-06-05 | Southwest Research Institute | Method for in-cylinder catalytic oxidation of hydrocarbons in direct injected spark ignition engines |
| JP2012122445A (en) * | 2010-12-10 | 2012-06-28 | Isuzu Motors Ltd | Piston structure of internal combustion engine |
| DE102012113225A1 (en) * | 2012-12-28 | 2014-07-03 | Phitea GmbH | Combustion chamber coating for engines |
| DE102014002520A1 (en) * | 2014-02-22 | 2015-03-12 | Mtu Friedrichshafen Gmbh | Piston internal combustion engine |
| EP2955251B1 (en) | 2014-06-10 | 2019-03-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method for forming heat insulating film, and structure of heat insulating film |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06137212A (en) * | 1991-05-08 | 1994-05-17 | Matsumoto Kokan Kk | Engine and manufacture thereof |
| US6240912B1 (en) | 1999-11-08 | 2001-06-05 | Southwest Research Institute | Method for in-cylinder catalytic oxidation of hydrocarbons in direct injected spark ignition engines |
| JP2012122445A (en) * | 2010-12-10 | 2012-06-28 | Isuzu Motors Ltd | Piston structure of internal combustion engine |
| DE102012113225A1 (en) * | 2012-12-28 | 2014-07-03 | Phitea GmbH | Combustion chamber coating for engines |
| DE102014002520A1 (en) * | 2014-02-22 | 2015-03-12 | Mtu Friedrichshafen Gmbh | Piston internal combustion engine |
| EP2955251B1 (en) | 2014-06-10 | 2019-03-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method for forming heat insulating film, and structure of heat insulating film |
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