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Clean and highly efficient internal combustion engines will still be necessary in the future to meet the ambitious CO2 emissions reduction targets set for light-duty vehicles. The maximal efficiency of stoichiometric Spark-Ignited (SI) gasoline engines has been steadily increasing in recent years but remains limited by the important relative share of cooling losses. Low heat rejection engines using ceramic barrier coatings have been presented in the past but smart insulation coatings are gaining a renewed interest as a more promising way to further increase the engine maximal thermal efficiency. This article is highlighting some important effects of smart insulation coatings developed for lean-burn spark-ignited gasoline engines. Five different coatings with low heat conductivity and capacity are applied on aluminum engine parts with the atmospheric plasma spray technique and are tested with two different engines. The laser induced phosphorescence technique is firstly used in an optical single cylinder engine to quantify the thermal performance of these coatings in terms of temperature swing during combustion. A maximal increase in the piston surface temperature of around 100 °C is measured at low load, confirming thus the expected impact of the low heat conductivity and capacity, and suggesting thus a positive impact on fuel consumption. Thanks to the tests performed with a similar metal single cylinder engine, it is shown that the unburned hydrocarbon emissions can significantly increase by up to 25% if the open porosity on top of the coating is not properly sealed, while the surface roughness has no impact on these emissions. When applied on both the piston and the cylinder head, the optimized coating displays some distinct effects on the maximal heat release rate and NOx emissions, indicating that the thermal environment inside the combustion chamber is modified during combustion. Thanks to the temperature swing between cold and hot engine phases the volumetric efficiency can also be kept constant. However, no increase in efficiency can be measured with this optimized coating which suggests that the heat balance is not affected only by the reduction in the temperature differential between the walls and the gas.

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Résumé -Nature de la combustion CAI et impact de stratifications de richesse -La combustion CAI (Controlled Auto-Ignition) appliquée aux moteurs essence permet un fonctionnement en mélange pauvre avec de très faibles émissions d'oxyde d'azote. De ce fait, ce procédé de combustion présente un fort potentiel pour la réduction de consommation des motorisations essence. Les travaux décrits visent à approfondir la compréhension des phénomènes physiques et chimiques qui régissent l'auto-inflammation et les différentes étapes du déroulement de la combustion en fonctionnement CAI. En particulier, l'étude s'est intéressée à la phase d'apparition des précurseurs de l'auto-inflammation qui précède la phase de dégagement de chaleur et à l'analyse de la structure de zone de combustion. Ces travaux ont été réalisés sur moteur optique à l'aide de visualisation directe de la combustion et de fluorescence induite par laser pour la détection des intermédiaires de combustion OH et formaldéhyde. Il est apparu que le fort taux de dégagement de chaleur qui est caractéristique du fonctionnement CAI est dû à une combustion qui se déroule en volume, et qui localement présente un taux de réaction modéré. Le contrôle du taux de dégagement de chaleur ne peut par conséquent être maîtrisé que par une stratification du mélange visant à diminuer la quantité de gaz en combustion à un instant donné, ou par une dilution renforcée visant à diminuer le taux de réaction. De fait, l'influence de la qualité du mélange air/carburant/gaz résiduels sur l'auto-inflammation et le déroulement de la combustion a été étudiée. Pour cela, le mélange a été caractérisé à l'aide de technique de fluorescence induite laser sur traceur et le déroulement de la combustion a été observé à l'aide d'une caméra rapide intensifiée. Une analyse cycle à cycle de la répartition des sites d'auto-inflammation et du champ de richesse locale a montré que les premières zones de réaction apparaissaient préférentiellement dans les hétérogénéités du mélange les plus riches en carburant. De plus, il est apparu que le niveau de stratification de la charge obtenu par l'utilisation d'injection indirecte dissymétrique ne permet pas de modifier le déroulement de la combustion. Enfin, l'utilisation de l'injection directe a été testée et a montré qu'il était possible de contrôler le phasage de l'auto-inflammation par l'utilisation de stratégies d'injection appropriées simples ou multiples. La création d'une zone riche à délai réduit lors d'injection tardive et la pré-décomposition du carburant lors d'injection pendant la phase de recompression sont apparus être les principaux phénomènes responsables de l'impact de la stratégie d'injection sur le phasage de la combustion.Abstract -Nature of CAI Combustion and Air/Fuel Ratio Stratification Effects -The purpose of this study was to gain a better understanding of the fundamental aspects of the CAI combustion process in order to assess the possibilities of controlling CAI combustion through air/fuel mixture stratification. The experimental work wa...