Filtre à particules - Définition

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Filtre à particules installé sur une Peugeot.

Le filtre à particules (FAP) est un système de filtration utilisé pour éliminer les fines particules, réputées cancérigènes, contenues dans les gaz d'échappement des moteurs Diesel. Ces particules sont essentiellement composées de carbone et ont typiquement une taille comprise en 10 nm et un micromètre.

Géométrie

Sur les véhicules légers à moteurs Diesel, les filtres à particules sont constitués d'un nid d'abeille extrudé en céramique frittée. Les canaux du nid d’abeille sont bouchés alternativement en entrée et en sortie du filtre afin de forcer le passage des gaz à travers les parois poreuses pour collecter les particules. Différentes formes géométriques des canaux sont possibles, couramment de section carrée, mais des canaux de section triangulaire peuvent également être envisagés.

À l'origine, ces filtres étaient réalisés en cordiérite. Les contraintes spécifiques associées au fonctionnement embarqué sur véhicule léger a conduit les différents fabricants de filtres à remplacer la cordiérite par une autre céramique. Le carbure de silicium dispose notamment d’une conductivité thermique plus élevée qui permet de mieux dissiper la chaleur dégagée par la combustion des suies ; celà permet d’obtenir une bien meilleure résistance à la fonte et à la fissuration.

Fonctionnement : Phase 1 - Filtration

La capture des particules dans le filtre est obtenue par filtration. L'accumulation des particules conduit à la formation du couche de suie sur les parois qui, dans un premier temps, améliore l'efficacité de la filtration (95 à 99% en masse des particules peuvent être collectées dans le filtre). Cependant, cette couche poreuse augmente fortement la [perte de charge] imposée dans le pot d'échappement. Ceci a tendance à nuire au bon fonctionnement du moteur en entraînant notamment une perte de puissance. Un nettoyage (ou régénération) du dispositif devient alors indispensable après quelques centaines de kilomètres.

Fonctionnement : Phase 2 - Régénération

Plusieurs méthodes de régénération ont été envisagées, la plus classique est basée sur la combustion des suies par une élévation de la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre. Cette opération nécessite la présence d'une catalyse. Les moteurs Diesel récents (de type common rail par exemple) permettent de contrôler finement la quantité de carburant injectée ainsi que le moment de l'injection : pré-injection, injection principale et post-injection. C'est la post-injection qui aide à la régénération du filtre en envoyant une grande quantité de gazole imbrûlé dans le catalyseur où il va s'enflammer, afin d'élever de façon significative la température des gaz d'échappement pour activer l'oxydation des suies piégées dans le filtre. Certains modèles de filtres, notamment ceux du groupe PSA nécessitent l'ajout d'un composé catalyseur dans le carburant (à base de Cérine) afin d'abaisser la température de combustion des suies contenues dans le filtre pour faciliter la régénération de ce dernier. Le groupe PSA ayant déposé un brevet pour ce procédé de régénération, les autres constructeurs ont dû étudier d'autres procédés d'où l'introduction de matériaux précieux (platine, palladium...) déposés directement dans le pain du filtre. La température de combustion des suies non additivées étant plus élevée, la régénération du filtre est plus difficile surtout lorsque le véhicule ne circule qu'en ville.

Limitations

L'efficacité des filtres à particules diminue avec la taille de celles-ci.^[1] Même si seulement 1 à 5% (en masse) des particules échappent aux filtres, leur nombre est très important étant donné que leur taille varie de 0,1 à 1 micromètre. Le problème est que ce sont justement ces particules de moins d'un micromètre qui sont les plus nocives.^[2]

Rejets

D'après les chiffres de certains constructeurs, la masse totale des particules rejetées par un moteur Diesel après filtration ne dépasse pas 0,004 g par km. Mais bien entendu, cela peut représenter des milliards de particules, tout dépend de leur masse.

Partant du fait que la masse volumique des particules est de 100 kg/m³^[3], en supposant que le diamètre moyen des particules qui traversent le filtre est de 0.5 micromètre et qu'elles sont sphériques, leur volume est de $\textstyle\frac{4 \pi (0,25*10^{-6})^{3}}{3} = \mathrm{ }\scriptstyle 6,545*10^{-20}\mathrm{m^3}$ , ce qui donne une masse de 6,545×10^-18 kg par particule.

En divisant la masse des particules échappant au filtre par la masse d'une particule d'un demi micromètre, on obtient 6×10¹¹, soit plus d'un demi billion de particules par km.