Filtre à particule


Filtre à particule

Filtre à particules

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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 de suie sont essentiellement composées de carbone et ont typiquement une taille comprise entre 10 nm et un micromètre. L'utilisation du filtre à particule deviendra probablement 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.

Sommaire

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 d'une 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 4 mg par km. Mais bien entendu, 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 \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.

Les filtres à particules sont donc loin d'être efficaces à 100% en nombre de particules filtrées, notamment pour les particules les plus fines comme les benzopyrènes. Ils sont pourtant 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

  • 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 au monde équipé d'un FAP de série, leur durée de vie a depuis été fortement augmentée, à tel point 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.
  • Le filtre à particules produit, par l'oxydation des particules diesel, des gaz à effet de serre , contribuant ainsi au réchauffement climatique. Son impact à long terme est ainsi loin d'être négligeable et la question de son intérêt réel doit donc être soulevée (ceci sans compter les dépenses énergétiques nécessaires à sa production)
  • La réglementation européenne tend en 2007 à moins suivre les avis scientifiques[4] (A titre d'exemple, Denis Zmirou-Navier[5] estime que les études disponibles en 2007 laissent penser que les particules issues des pots d'échappement causent 350.000 morts prématurées par an et dans l’UE, ainsi que de milliers de cancers bronchiques et d’infarctus du myocarde. Pour les particules fines, la France, dans le cadre du Grenelle de l'Environnement, s'est cependant donné un objectif plus ambitieux (limite de 15 µg/m³) que celui de l'UE (20 à 25 µg/m³).
  • Depuis le 1er janvier 2008, les centres-villes de Berlin, Cologne et Hanovre sont interdits aux voitures diesel dépourvues de filtres à particules.

Filtres à particules pour les chauffages au bois

En France, le chauffage au bois émet plus de fines particules (et certains autres polluants) que l'ensemble des véhicules Diesel. La combustion de bois est principalement émettrice de particules très fines (< 1 micromètre). La réduction de ces émissions devient un véritable enjeu de santé publique, ainsi que le révèlent les données officielles suivantes :

- Emissions dans l'atmosphère comparées du bois énergie et du transport routier (véhicules Diesel inclus), pour l'année 2007 en France métropolitaine, en % des émissions totales (selon les estimations du CITEPA, qui assure la réalisation technique des inventaires de la pollution atmosphérique) :

PM10 = particules de taille inférieure à 10 micromètres - PM2,5 = particules fines - PM1,0 = particules très fines - HAP = Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (certains sont reconnus très cancérigènes)

Emissions nationales de quelques polluants (en %) pour l'année 2007
(rapport SECTEN - mise à jour de juin 2009)
PM10 PM2,5 PM1,0 HAP Dioxines/Furanes Plomb
Bois énergie 23 35 61 72 17 19
Transport routier 10,5 11,6 16,2 20,5 1,6 0,0

Benzène : en ce qui concerne les émissions de ce composé cancérigène, le CITEPA ne fournit pas de donnée spécifique au bois-énergie, mais précise que : « Le principal secteur émetteur de benzène est le résidentiel/tertiaire (75,8%) en particulier du fait de la combustion du bois, suivi du transport routier avec 14,1%. »

- Pour les chaufferies au bois collectives et industielles, sont développés des systèmes de dépollution performants (électrofiltres et filtres à manches).

- Dans le secteur domestique, ces technologies évoluées et coûteuses ne peuvent pas être appliquées telles quelles. Des filtres à particules (électrofiltres) pour le chauffage domestique au bois commencent à être développés par des fabricants suisses (Rüegg par exemple, cité par le document de l'OFEV et les articles de la revue Bioenergie International ci-dessous);
s'ils ne sont pas aussi efficaces que ceux des secteurs collectifs et industriels, ils permettent tout de même de réduire très significativement les rejets : Filtres à particules (format PDF). Dans certains cantons suisses, les poêles à bois ne sont pas autorisés à fonctionner s'ils ne sont pas équipés de filtre à particules.

Il est possible de consulter différents documents sur ce sujet :

- de la DRIRE du Limousin : Le bois énergie pour les chaufferies collectives. Le deuxième document complémentaire consultable en bas de page (format PPT) nécessite la Visionneuse PowerPoint pour son ouverture.

- de la revue Bioenergie International : 1. Le point sur les particules fines - 2. Comment réduire les émissions du bois énergie

- de l'Office Fédéral de l'Environnement suisse (OFEV) : Chauffages - Du bois d'accord, mais jamais sans filtre (format PDF)

- du Conseil Fédéral suisse : Plan d'action contre les poussières fines

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

Liens internes

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