Filtre à particules - Définition et Explications

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Filtre à particules installé sur une Peugeot.
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 (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) d'échappement des moteurs Diesel. Ces particules sont essentiellement composées de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) et ont typiquement une taille comprise en 10 nm et un micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.).

Géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...)

Sur les véhicules légers à moteurs Diesel, les filtres à particules sont constitués d'un nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir...) d'abeille (Abeille est un nom vernaculaire ambigu désignant en français certains insectes...) extrudé en céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre),...) frittée. Les canaux du nid d’abeille sont bouchés alternativement en entrée et en sortie du filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) 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 (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) léger a conduit les différents fabricants de filtres à remplacer la cordiérite par une autre céramique. Le carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une...) dispose notamment d’une conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) plus élevée qui permet de mieux dissiper la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) dégagée par la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) des suies ; celà permet d’obtenir une bien meilleure résistance à la fonte et à la fissuration.

Fonctionnement : Phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) 1 - Filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les...)

La capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), améliore l'efficacité de la filtration (95 à 99% en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) des particules peuvent être collectées dans le filtre). Cependant, cette couche poreuse augmente fortement la [perte de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...)] imposée dans le pot d'échappement. Ceci a tendance à nuire au bon fonctionnement du moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) en entraînant notamment une perte de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). Un nettoyage (ou régénération) du dispositif devient alors indispensable après quelques centaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...).

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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre. Cette opération nécessite la présence d'une catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique...). Les moteurs Diesel récents (de type common rail par exemple) permettent de contrôler finement la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) injectée ainsi que le moment de l'injection : pré-injection, injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) principale et post-injection. C'est la post-injection qui aide à la régénération du filtre en envoyant une grande quantité de gazole (Le gazole (terme recommandé en France par la DGLFLF), ou gas-oil, ou encore gasoil, ou diesel...) imbrûlé (Un imbrûlé, dans le domaine de l'astronautique, est un résidu d'ergols subsistant après...) dans le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) 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 (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour...).

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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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 (Fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le...) après filtration ne dépasse pas 0,004 g par km. Mais bien entendu, cela peut représenter des milliards de particules, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) dépend de leur masse.

Partant du fait que la masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) des particules est de 100 kg/m3[3], en supposant que le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) moyen des particules qui traversent le filtre est de 0.5 micromètre et qu'elles sont sphériques, leur volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 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 (Un billion (1 000 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de particules par km.

Les filtres à particules sont donc loin d'être efficaces à 100% en nombre de particules filtrées.

Remarques

  • L'évolution des matériaux utilisés, l'optimisation de la géométrie du dispositif et les progrès apportés au fonctionnement des moteurs a permis d'améliorer fortement la durabilité des filtres à particules. À l'origine de 80 000 km sur le 2.2 HDi, premier moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) au monde (Le mot monde peut désigner :) équipé d'un FAP, leur durée de vie (La vie est le nom donné :) a depuis été fortement augmentée, à tel point (Graphie) qu'aujourd'hui certains constructeurs parlent de FAP sans entretien.
  • La difficulté de mise au point de l'intégration de ce système au moteur est avant tout la préservation d'un comportement neutre du moteur pour le conducteur, car dégrader le fonctionnement ne se fait pas sans désagrément.

Notes

  1. Particules et transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) (fonctionnement) (Service Public Fédéral Belge - Santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste...) publique)
  2. Particules et transport (impact) (Service Public Fédéral Belge - Santé publique)
  3. Regis Vonarb et Patrick Gilot, Contribution à l'étude des phénomènes d'inflammation et de propagation de la combustion d'un lit de suies diesel additivées, 1999 (lien)
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