Un filtre à particules (ou FAP) est un système de filtration utilisé pour retenir les fines particules, cancérogènes pour l'Homme Les gaz d’échappement des moteurs Diesel cancérogènes, Communiqué de presse du de l'OMS, sur iarc.fr. Les (PM) dans leur ensemble sont désormais classées cancérogènes pour l'homme( La pollution atmosphérique une des premières causes environnementales de décès par cancer, Communiqué de presse du , sur iarc.fr, consulté le 2 septembre 2014). ; elles sont contenues dans les gaz de combustion, particulièrement des cheminées à bois et des moteurs Diesel. À terme, ils devraient aussi équiper tous les systèmes de chauffage au bois pour réduire la pollution de l'air, surtout en zone d'habitat rapproché, les particules fines ayant un effet négatif notamment dans les environs immédiats de la source d'émissionParticules fines, oekotube.ch Filtre à particules électrostatique, extrait du commentaire : . sur oekotube.ch, consulté le 23 octobre 2013.Le bois-énergie pour les chaufferies collectives, sur le site de la DRIRE du Limousin (2007)..
Ces particules de suie sont essentiellement composées de carbone et ont typiquement une taille comprise entre et un micromètre. L'Institut Paul Scherrer indique que Attention : poussières fines !, de l'Institut Paul Scherrer, ..
Moteurs thermiques thumb|Filtre à particules installé sur une Peugeot.
Histoire Les premiers filtres à particules pour moteurs Diesel ont été à l'origine développés par Daimler-Benz en 1985 pour la , 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 tire la technologie de l'oubli au milieu des années 1990 et en , et introduit un FAP sur la nouvelle 607Séverine Alibeu, Peugeot Citroën fier de son filtre à particules, Caradisiac du .. En France, depuis le , le FAP est devenu obligatoire sur les moteurs Diesel neufs Page 13 : Dans le domaine santé transports, sur social-sante.gouv.fr de février 2012, consulté le 19 mars 2017.. Avec la réglementation Euro6, les filtres à particules se généralisent également sur les véhicules essence, qui sont devenus fortement émetteurs de particules fines depuis l'introduction des systèmes d'injection directe de carburantPhilippe Jacqué, "Pollution : après le diesel, les moteurs à essence au cœur d’une nouvelle bataille européenne", Le Monde du 26 octobre 2016..
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 ; 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 : 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 (presque 100 % en masse des particules peuvent être collectées dans le filtre. Consulté le 17 janvier 2014 (accès gratuit).). 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 entraînant notamment une perte de puissance du moteur. Un nettoyage (ou régénération) du dispositif devient alors indispensable après un millier de kilomètres. 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 (notamment à rampe commune) permettent de contrôler finement la quantité de carburant injectée ainsi que le moment de l'injection : pré-injection, injection principale et post-injection. Cette dernière 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 additif catalyseur dans le carburant (typiquement un composé métallo-organique à base de fer ou de cérium appelé 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 et lancé le premier FAP en 2000 sur la Peugeot 607, Les autres constructeurs ont étudié d'autres procédés, par introduction de métaux 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.
Les FAP sont fragiles ; il est toutefois possible de les nettoyer, soit par additivation par le réservoir, soit en injectant un produit nettoyant dans le FAP. En effet, les biodiesels, c'est-à-dire tous les carburants GO (gazole routier), FOD (fioul domestique), GNR (gazole non routier), contiennent des ajouts d'huiles qui encrassent les systèmes. La priorité est donc de maintenir son moteur propre en surveillant son système d'injection.
Limitations L'efficacité des filtres à particules diminue avec la taille de celles-ciParticules et transport (fonctionnement) (Service Public Fédéral Belge), sur health.belgium.be. Même si seulement (en masse) des particules échappent aux filtres, leur nombre est très important étant donné que leur taille est inférieure à alors que ces particules de moins d'un micromètre sont les plus nocives pour la santé car elles pénètrent profondément dans l'appareil respiratoireParticules et transport (Composition des particules et effets sur la santé humaine) (Service Public Fédéral Belge), sur health.belgium.be.
Calcul indicatif des rejets de particules exprimés en nombre de particules : Si on considère les chiffres publiés par les constructeurs automobiles, en fonctionnement normal, la masse totale des particules rejetées par un moteur Diesel, après filtration, ne dépasse pas . Partant du fait que la masse volumique des particulesRegis 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, sur cat.inist.fr est de , en supposant que le diamètre moyen des particules qui traversent le filtre est de et qu'elles sont sphériques, leur volume est de :
soit une masse de par particule. En divisant la masse des particules échappant au filtre par la masse d'une particule d'un demi-micromètre, on obtient , soit plus de de particules par km. Très efficaces en masse de particules retenues, les filtres à particules sont donc bien moins efficaces en nombre de particules filtrées, notamment pour les particules les plus fines comme les benzopyrènes.
Les normes Euro initialement basées sur la masse des rejets de particules ont donc à présent introduit une valeur limite en nombre de particules par kilomètre, à partir de la norme () pour les véhicules Diesel et de la norme () pour les moteurs à essence. Pour l'ensemble de ces moteurs, les normes Euro imposent la même limite : par kilomètre. Dans sa documentation technique, le Groupe PSA estime atteindre moins, soit particules par kilomètreL’élimination des particules par filtration mécanique permet de ramener le niveau d’émission en masse à moins de alors que la norme est à . En nombre, le niveau est généralement inférieur à alors que la norme est, elle, à ). Le Filtre à Particules additivé de PSA Peugeot Citroën, sur psa-peugeot-citroen.comPour PSA, le problème des particules fines Diesel n'a plus lieu d'être posé, sur cnetfrance.fr, 24 septembre 2012.
Comparaison entre types de moteurs + Émissions moyennes de particules de différents types de moteurs+ Jon Andersson, Barouch Giechaskiel, Rafael Muñoz-Bueno, Emma Sandbach, Panagiota Dilara - Particle Measurement Programme (PMP) Light-duty Inter-laboratory Correlation Exercise (ILCE_LD) Final Report - Institute for Environment and Sustainability, Centre commun de recherche - Juin 2007 Type de moteur Particules(nombre/km)(/km) Particules(masse/km)(mg/km) Diamètre moyendes particules(µm) Diesel 20 0,2 Diesel avec FAP 0,5 0,36 Essence classique 0,5 0,46 Essence injection directe sans FAP 4 0,21
+ Normes Euro 6EUR Lex (4/9, Annexe I - tableau 2): Règlement (CE) 459/2012 de la Commission modifiant… en ce qui concerne les émissions des véhicules particuliers et utilitaires légers (), sur eur-lex.europa.eu Norme Particules(nombre/km)(/km) Particules(masse/km (mg/km) Diamètre moyendes particules(µm) Norme Euro 6 Diesel 4,5 0,52 Norme Euro 6 essence À partir de 2017 : 4,5 0,24 À partir de 2017 : 0,52
Les valeurs indiquées concernent le fonctionnement en mélange pauvre. Calculé en supposant que les particules sont sphériques et en partant du fait que leur masse volumique est de .
Remarques vignette|L'apparition des filtres à particules, en complément du pot catalytique, devrait contribuer à diminuer la pollution particulaire des moteurs Diesel. Ils doivent être périodiquement régénérés par combustion des suies, souvent au moyen de catalyseurs intégrés dans le filtre.
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 sur le , premier moteur au monde équipé d'un filtre à particule de série, leur durée de vie a depuis été fortement augmentée, à tel point qu'aujourd'hui certains constructeurs parlent de filtre à particules sans entretien (en réalité l'entretien existe, mais il est automatique, et pris en charge par l'électronique embarquée). Cependant la plupart des modèles actuels nécessitent un remplacement, relativement onéreux. La difficulté de mise au point de l'intégration de ce système au moteur est avant tout liée à la nécessité de préserver un comportement neutre du moteur pour le conducteur, car dégrader le fonctionnement ne se fait pas sans désagrément.
Un document de l'OFEV souligne que les mesures ayant pour but la lutte contre l'effet de serre, devant tenir compte de la de l'air, ne peuvent inclure « le remplacement des moteurs à essence par des moteurs Diesel, tant que les valeurs limites pour les gaz d’échappement de ces derniers ne seront pas aussi sévères que celles fixées pour les moteurs à essence » (28). Cette convergence des exigences envers les moteurs essence et Diesel sur le plan des émissions sera atteinte lors de l'entrée en vigueur des normes en 2015. Ces normes se traduiront par une élévation de 800 à des prix des véhicules Diesel, ce qui devrait réduire la part de marché du Diesel notamment sur les petites automobilesLa norme impliquera un surcoût de par voiture diesel, sur caradisiac.com, 10 octobre 2013.