Filtre à particules

Thèmes:

Général
Origine des particules de suie
Fonctionnement d'un filtre à particules
Filtre à particules autogénéré
Filtre à particules semi-ouvert
Gaz d'échappement d'un moteur diesel

Général:
Un filtre à particules est utilisé sur les moteurs diesel. Un filtre à particules a pour rôle de laisser passer les gazs d’échappement et de retenir les particules de suie. De nos jours, chaque moteur diesel d’une voiture neuve est équipé d’un filtre à particules pour répondre à des exigences environnementales strictes. Dans certaines grandes villes, les voitures diesel « sales » sans filtre à particules et les voitures à essence sans pot catalytique sont déjà interdites de circulation.

Origine des particules de suie :
Des particules de suie sont toujours produites lors du processus de combustion d'un moteur diesel. La suie est le signe d'une combustion incomplète. Les particules de suie sont de petites sphères de carbone avec un noyau de carbone pur, d'un diamètre d'environ 0,05 micromillimètre. Certaines substances nocives, notamment les hydrocarbures, le soufre et les oxydes métalliques, adhèrent au noyau de ce carbone. Certains hydrocarbures peuvent être nocifs pour la santé.
La formation et la quantité de particules de suie dépendent principalement de l'utilisation, de l'alimentation en air, de l'injection et de la combustion du moteur. En particulier en cas de pénurie d'oxygène, les émissions de suies augmentent car le mélange est trop riche et donc la combustion est incomplète. Le réglage des puces peut également être à l’origine d’émissions excessives de suie.
Les dimensions des particules de suie sont pratiquement les mêmes dans les moteurs diesel à injection indirecte à chambre de turbulence, à injection directe, à rampe commune et à injecteur-pompe.

Fonctionnement d'un filtre à particules :
Le filtre à particules est constitué d'un corps en céramique en forme de nid d'abeille en carbure de silicium logé dans un boîtier métallique. Le corps en céramique est constitué de nombreux passages microscopiques parallèles, alternativement fermés d'un côté.
Lorsque les gaz d'échappement traversent le filtre à particules, les particules sont retenues dans les canaux d'entrée, tandis que les autres composants gazeux des gaz d'échappement traversent les parois poreuses du filtre.

Filtre à particules autogénéré :
Un filtre à particules autogénéré bloque environ 90 % de toutes les suies émises par le moteur. Étant donné que de nombreuses particules de suie restent après un certain temps dans le filtre à particules autogénéré, celui-ci se boucherait sans mesures. Pour éviter cela, le filtre doit être régénéré régulièrement (tous les 200-1000 km). C’est ce qu’on appelle le « processus de régénération ». Cela signifie que les particules de suie accumulées sont brûlées. Lorsqu'elles sont brûlées, les particules sont transformées en substances inoffensives, le dioxyde de carbone et l'eau. La température de combustion des particules de suie est d'au moins 600 °C pour les filtres à particules sans revêtement catalytique, mais les gaz d'échappement ne sont souvent pas assez chauds pour cela. Pour brûler les particules de suie, les méthodes suivantes peuvent être utilisées :

Filtre à particules avec revêtement catalytique :
Ce type de filtre à particules possède un revêtement catalytique qui permet de brûler les particules de suie à une température de 250ºC. Il faut cependant que le filtre à particules soit placé le plus près possible du moteur sous peine de perdre beaucoup de chaleur. Cette méthode de régénération est utilisée entre autres pour les filtres à particules semi-ouverts et à régénération continue.
Utilisez un catalyseur d'oxydation : Avec un catalyseur d'oxydation, les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement sont en partie transformés en dioxyde d'azote. Ce dioxyde d'azote est très réactif, ce qui signifie que les suies s'enflamment beaucoup plus facilement et donc à une température plus basse. Le catalyseur d'oxydation est donc toujours placé avant le filtre à particules, généralement même immédiatement après le collecteur d'échappement. Parfois même 2 de ces catalyseurs sont installés. (regarder la photo)
Chauffage externe : En plaçant une bobine incandescente ou un injecteur de carburant dans l'échappement, il est possible d'atteindre la température nécessaire pour enflammer les particules de suie. Ceci est contrôlé via l’unité de commande du moteur. Celui-ci enregistre les valeurs des capteurs de pression différentielle qui mesurent avant et après le filtre que le filtre à particules commence à se remplir.
Injection de carburant supplémentaire : en ajoutant du carburant supplémentaire aux buses pendant la course d'échappement, la température des gaz d'échappement augmente, ce qui peut permettre une régénération.

Filtre à particules semi-ouvert :
Les filtres à particules semi-ouverts sont destinés aux voitures qui ne sont pas équipées de série d'un filtre à particules. Ce type de filtre à particules est donc installé a posteriori. Le nombre de filtres à particules semi-ouverts est de moins en moins important, car toutes les nouvelles voitures sont désormais équipées de série d'un filtre à particules.

Les filtres à particules semi-ouverts ont une structure ouverte qui permet aux gaz d'échappement de circuler sans entrave à travers le filtre. Certaines particules de suie adhèrent aux murs. Le filtre est doté d'un revêtement catalytique à l'intérieur, qui permet de régénérer (brûler) les particules de suie à basse température. La régénération s'effectue en continu à haute température. Le risque que le filtre se bouche est faible, à condition que le filtre soit réchauffé de temps en temps. L'inconvénient majeur est que les émissions ne peuvent être réduites que de 60 % maximum dans des conditions optimales et que les émissions dans des conditions moins optimales, ce qui est souvent le cas lors d'une utilisation normale, ne peuvent être réduites que de 30 %.

Gaz d'échappement d'un moteur diesel :
Dans l'image de droite et l'explication ci-dessous, vous pouvez voir de quoi sont constitués les gaz d'échappement d'un moteur diesel.

67 % d'azote (N2)
12% Dioxyde de carbone (CO2)
11% d'eau (H2O)
10% d'oxygène
0,3 % d'autres substances, y compris les particules de suie (PM), les hydrocarbures (HC), les oxydes d'azote (NOx), le monoxyde de carbone (CO).

Pour réduire les émissions de NOx, les moteurs diesel en utilisent de plus en plus un Catalyseur SCR avec système de dosage AdBlue.