Filtre à particules

Le filtre à particules est un dispositif de filtration utilisé pour éliminer les fines particules, connues cancérigènes, contenues dans les gaz d'échappement des moteurs Diesel.



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Pollution de l'air - Technologie automobile

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Définitions :

  • Partie filtrante logée dans le pot d'échappement qui diminué l'émission des particules polluantes émises par les gaz d'... (source : greg.saunier.free)
Filtre à particules installé sur une Peugeot.

Le filtre à particules (FAP) est un dispositif de filtration utilisé pour éliminer les fines particules, connues cancérigènes, contenues dans les gaz d'échappement des moteurs Diesel. Ces particules de suie sont principalement composées de carbone et ont typiquement une taille comprise entre 10 nm et un micromètre. L'utilisation du filtre à particule deviendra certainement généralisée à l'horizon 2009 avec l'entrée en vigueur de la norme d'émission Euro 5. Les particules les plus fines (nanoparticules) sont cependant mal retenues par les filtres existants.

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 pour forcer le passage des gaz à travers les parois poreuses pour collecter les particules. Différentes formes géométriques des canaux sont envisageables, fréquemment de section carrée, mais des canaux de section triangulaire peuvent aussi être envisagés.

Au départ, 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 surtout d'une conductivité thermique plus élevée qui sert à mieux dissiper la chaleur dégagée par la combustion des suies ; celà permet d'obtenir une bien meilleure résistance à la fonte ainsi qu'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 d'une couche de suie sur les parois qui, tout d'abord, perfectionne 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 surtout une perte de puissance. Un nettoyage (ou régénération) du système 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 mais aussi 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, surtout 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 favoriser 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 complexe en particulier quand le véhicule ne circule qu'en ville.

Limitations

L'efficacité des filtres à particules diminue avec la taille de celles-ci. [1] Même si uniquement 1 à 5% (en masse) des particules échappent aux filtres, leur nombre est particulièrement important dans la mesure où leur taille fluctue de 0, 1 à 1 micromètre. Le problème est que ce sont précisément 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 4 mg par km. Mais évidemment, cela peut représenter des milliards de particules, tout dépend de leur masse individuelle.

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, 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.

Les filtres à particules sont par conséquent loin d'être efficaces à 100% en nombre de particules filtrées, surtout pour les particules les plus fines comme les benzopyrènes. Ils sont néenmoins présentés comme la solution au problème du rejet de particules, en partie à cause de la méthode de mesure des normes Euro basée sur la masse.

Remarques

Notes

  1. Particules et transport (fonctionnement) (Service Public Fédéral Belge - Santé 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 [1]
  4. Brève du Journal de l'Environnement (JDLE)
  5. Pr de santé publique (Université Henri Poincaré de Nancy (Meurthe-et-Moselle)  ; Directeur de recherche à l'Inserm ; 1er Vice-Président de la commission de sécurité sanitaire du Haut Conseil de santé publique

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 10/04/2009.
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