Le filtre à particules

Histoire :

Les premiers filtres à particules pour moteurs Diesel ont été à l'origine développés par Daimler-Benz en 1985 pour la Mercedes Classe S W126, afin de pouvoir répondre aux strictes normes d'émissions américaines. La production fut stoppée en 1987 du fait de résultats commerciaux insuffisants. PSA Peugeot Citroën, vient sur cette technologie au milieu des années 1990. et en mai 2000, introduit un FAP sur la nouvelle 607. En Europe les FAP sont devenus obligatoires avec la norme Euro5 pour les véhicules vendus après janvier 2011. Dès septembre 2017, l'application de la norme Euro 6.2 va contraindre le montage de filtres à particules sur les moteurs essence à injection directe.

But :

Un filtre à particules (ou FAP) est un système de filtration utilisé pour retenir les fines particules, cancérogènes pour l'Homme. Les particules fines sont désormais classées cancérogènes pour l'homme. Elles sont contenues e.a. dans les gaz de combustion des moteurs thermiques diesel et, avec l’apparition de l’injection directe dans les moteurs essence moderne qui se voient aussi équipés de FAP . Les particules fines on un effet négatif notamment dans les environs immédiats de la source d'émission

Ces particules de suie sont essentiellement composées de carbone et ont typiquement une taille comprise entre 10 µ et un micromètre. L'Institut Paul Scherrer indique que «toutes les particules de poussière ne sont pas également dangereuses : les particules de suie émises directement par les moteurs Diesel ne nuisent pas qu’aux poumons mais sont aussi cancérigènes et doivent être éliminées autant que possible.

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 existent.

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 lors des régénérations; cela permet d’obtenir une bien meilleure résistance à la fonte et à la fissuration.

Fonctionnement :

Le nettoyage des particules rejetées s'effectue en deux temps :

• Filtration : Les particules sont captées dans le filtre. Avec l'accumulation des particules, une couche de suie se forme sur les parois. Dans un premier temps, cela améliore l'efficacité de la filtration (environ 95% en masse des particules peuvent être collectées dans le filtre). En grossissant, cette couche poreuse augmente fortement la perte de charge dans le l'échappement. Pour éviter une accumulation trop importante, il y a une post-injection régulière (cycles de 400-500km) de carburant qui entraîne une hausse de la température des gaz d’échappement qui contribue au nettoyage du filtre.

• Régénération : Lorsque le taux de suie ou la pression différentielle atteint le premier seuil, la régénération est enclenchée automatiquement. Une post injection est faite dans le catalyseur qui va monter en température et permettre la combustion-oxydation des suies piégées dans le filtre. Pour que le cycle soit parfait, il est nécessaire de rouler à un régime suffisant pour que la température soit plus élevée. C’est pourquoi les véhicules qui ne font que des petits trajets ou trajets urbains ont plus de problèmes. A faible allure et sur courtes distances la température ne s’élève pas suffisamment et la régénération n’est pas parfaite et le cycle suivant reviendra plus tôt entraînant de-facto une consommation excessive de carburant. Surtout utile en milieu urbain, c’est dans ce milieu qu’il fonctionne le moins bien.

• Surveillance : Premier seuil d’alerte: la pression différentielle entre entrée et sortie du filtre à particules est trop élevée, un témoin s’allume au tableau de bord. A ce moment il est recommandé des rouler (par exemple sur autoroute) à un régime proche de 3000 tr/min pour que la régénération se fasse bien, après environ 15 minutes à ce régime le témoin s’éteint et le fonctionnement normal continue. Second seuil d’alerte : le taux de suie ou pression différentielle est au-dessus du seuil fixé par le constructeur, le cycle de régénération «normal» ne peut pas s’effectuer automatiquement et il est impératif de passer par un garagiste qui va pouvoir lancer une régénération forcée. Si cela devient récurant (hormis un problème de capteur), un remplacement du FAP sera nécessaire. Certains additifs permettent un meilleur nettoyage pour augmenter la durée de vie. Il y a également des systèmes de lavage qui sont efficaces pour le nettoyage mais ils emportent une partie des métaux rares; donc par la suite la température ne montera plus aussi bien et l’encrassement sera un peu plus rapide.

• Rejets des oxydes d’azote (Nox): A partir de 2015, la norme Euro6b impose l’ajout d’additif (adblue) qui permet par réaction chimique de réduire les rejets de Nox. Les problèmes de cristallisation de l’adblue apportent eux-aussi des nouveaux problèmes techniques...

Plus sur le sujet : fonctionnement du FAP - dysfonctionnements potentiels – Types de céramique