Le filtre à particules pour moteur essence

Description détaillée
Méthodes et pratiques
Impact sur les compétences en atelier
Exemple d’outillage approprié

Innovation créatrice de nouvelles compétences: Non
Innovation génératrice de nouvelles activités: Non
Phase de développement de l'innovation: Récemment commercialisé

Date de création: 14 décembre 2015
Date de mise à jour: 06 avril 2018

En bref

Les moteurs à essence de dernière génération équipés d'un système d'injection directe émettent plus de particules fines que les moteurs diesel équipés d'un filtre à particules. Les règlements Euro 6c, Euro 6d Temp et Euro 6d qui entrent en vigueur progressivement à partir de Septembre 2017 vont abaisser le seuil de rejet de particules du moteur à essence au même niveau que celui du moteur diesel. Pour respecter cette nouvelle règlementation, certains constructeurs vont équiper leurs véhicules essence à injection directe d'un filtre à particules.

Innovation créatrice de nouvelles compétences: Non
Innovation génératrice de nouvelles activités: Non
Phase de développement de l'innovation: Récemment commercialisé

Date de création: 14 décembre 2015
Date de mise à jour: 06 avril 2018

Description détaillée

Introduction :

Le downsizing se généralise sur les moteurs à essence modernes. Ces nouveaux moteurs font appel à la suralimentation par turbo ou par compresseur volumétrique et généralement à l'injection directe d'essence. L'adoption de ce mode d'injection n'est pas sans conséquence sur la préparation du mélange (air / essence). Il est en effet difficile d'obtenir un mélange homogène lorsque l'essence est directement injectée dans le cylindre. Ce manque d'homogénéité du mélange a un lourd impact sur la création de particules fines à l'échappement. Des tests effectués sur des véhicules à moteur essence modernes (Euro 5) ont montré que le moteur essence à injection directe émet plus de particules (en nombre) qu'un moteur diesel équipé d'un Filtre À Particules (FAP). Ces moteurs essence à injection directe émettraient 10 à 40 fois plus de particules que ceux à injection indirecte. C'est pour cette raison que l'union Européenne a établi un calendrier d'application du règlement Euro 6 différent pour les véhicules diesel et pour les véhicules essence.

La différence essence / diesel porte sur le nombre de particules et non sur la masse de particules. Pendant 3 ans (de 2014 à 2017) les véhicules essence à injection directe sont autorisés à émettre plus de particules que les véhicules diesel. Ces 3 années doivent permettre aux constructeurs de développer des technologies permettant une baisse des rejets de particules.

La formation des particules :

Les particules se forment dans la chambre de combustion dans les zones localement trop riches en carburant (pyrolyse). Dans un moteur essence à injection directe, les zones riches sont dues aux :

(1) dépôts d'essence liquide sur le piston et/ou sur la chemise (2).

(3) dépôts sur la chemise par effet de turbulence.

(4) zones de mélange hétérogène.

La composition des particules :

Les particules émises par les moteurs sont un ensemble complexe. Elles se composent d'un noyau de carbone sur lequel sont absorbés des hydrocarbures. On retrouve également des dérivés minéraux (SO2, sulfates...) et métalliques, issues des carburants, de l'huile et de l'usure du moteur.

Le moteur à essence rejette des particules relativement petites (de 50 à 100 nm). Le moteur diesel rejette des particules plus grosses (de 100 nm à 1 µm). Ce n'est pas la masse de particule (PM) mais le nombre de particules (PN) qui pose problème aux motorisations essence.

Lors des tests d'homologations les particules prises en compte ont des tailles comprises entre 23 nm et 2,5 µm.

Comment traiter ces particules ?

Par un traitement amont : Améliorer la pulvérisation des injecteurs, utiliser deux systèmes d'injection (directe et indirecte)...
Par un traitement aval : Ajouter un filtre à particules (GPF) en aval du catalyseur 3 voies ou utiliser un catalyseur 4 voies.
Equiper le moteur d'un système d'injection indirecte traditionnel.

Le traitement amont :

Les constructeurs vont s'efforcer d'améliorer la combustion en travaillant :

Sur la pulvérisation des injecteurs.
En améliorant la turbulence de l'air pendant les phases d'injection.

Les améliorations sur l'injection auront pour objectif d'obtenir un mélange plus homogène et de réduire la pénétration du jet afin de minimiser l'effet de paroi. Les solutions évoquées :

Augmenter les pressions d'injection (supérieures à 200 bar). Les équipementiers annoncent des systèmes pouvant fonctionner à des pressions supérieure à 300 Bar. Les gouttelettes vaporisées ont des diamètres inférieurs, la surface de contact avec l'air est augmentée (meilleure oxydation du carburant).
Réaliser des injections multiples (2 à 3 par cycle) afin de réduire l'impact sur les parois et sur le piston.
Travailler sur la conception même de l'injecteur (forme du nez, nombre et taille des trous, résistance à l'encrassement). Des trous d'un plus petit diamètre améliorent la pulvérisation à débit équivalent, de même que la conicité et l'état de surface du trou. Les injecteurs actuels comportent 5 à 8 trous.

Les améliorations sur la turbulence de l'air seront également développées. La généralisation du Downsizing (charge importante) et du Downspeeding (faible régime) ralenti les vitesses de turbulence, les phénomènes de « Tumble » et de « Swirl » sont donc plus difficile à mettre en place, notamment à bas régime. Pour y remédier, les constructeurs pourront utiliser :

Les systèmes de levée de soupape variable (une faible levée des soupapes d'admission à faible charge permettra d'accroitre la vitesse des gaz en entrée de chambre).
Des volets de tubulure d'admission.

Une troisième solution consiste à utiliser 2 systèmes d'injection. Le moteur est alors équipé :

d'un système d'injection directe (HP) ;
d'un système d'injection indirecte (BP).

Exemples de motorisations équipées d'un double système d'injection :

Lexus GS450h moteur 3,5 litres V6 (2006)
VAG 1,8 TFSI 170 ch (2010)
Toyota 2,0 D4-S 200 ch (2012)
VAG 2,0 TFSI 225 ch (2013)

Le traitement aval :

Il consiste à utiliser un Filtre à Particules (FAP) appelé aussi couramment (GPF) pour Gasoline Particule Filter. La constitution du FAP essence est proche de celle d'un FAP diesel. Les gaz entrent dans des cellules ouvertes d'un coté et fermées de l'autre. Ils doivent donc traverser des parois poreuses pour ressortir par une cellule adjacente ouverte du coté opposé.

Le FAP essence présente l'avantage d'avoir un mode de régénération passive (la régénération est induite "naturellement" quand le conducteur relâche l'accélérateur et lorsque le filtre est suffisamment chaud). Les particules de suies en présence d'oxygène et d'une température élevée (500 à 700°C) s'enflamment instantanément. En cas de fonctionnement prolongé à régime stabilisé sans coupure d'injection à la décélération (portion de route sans trafic ni descente), le système de gestion moteur lancera une phase de fonctionnement en mélange pauvre. Grace à ces régénérations fréquentes la quantité de suies stockées ne sera jamais importante, de plus le moteur essence rejette moins de particules (en masse) que le moteur diesel.

De ce fait, le filtre à particules pour moteur essence peut être fabriqué avec des substrats en cordiérite (céramique synthétique), le même matériau que celui utilisé par les catalyseurs 3 voies classiques. Cette solution technique permet de réduire les coûts de fabrication par rapport au FAP diesel. Elle permet aussi d'avoir un effet limité sur la contre-pression (la porosité du FAP essence est plus élevée que celle du FAP diesel).

L'incidence sur la consommation d'essence, les émissions de CO2 ou les performances (puissance) reste faible. Le filtre à particules sera placé dans un module à part en amont ou en aval du catalyseur 3 voies. Il permet de réduire de l'ordre de 80% à 90% le nombre de particules émises par un moteur essence à injection directe.

L'utilisation du FAP a bien sûr un coût (inférieur au FAP diesel). Même si la régénération est beaucoup plus simple qu'en diesel , un seuil minimum de température est nécessaire. Le dispositif ne conviendra donc pas pour des utilisations répétées à froid.

Une autre solution consiste à intégrer le système de traitement des particules au catalyseur 3 voies. On parle alors de catalyseur 4 voies. Ce composant unique combine la fonctionnalité d'un convertisseur catalytique à trois voies avec un filtre à particules sur la même structure en nid d'abeilles. Il permet de traiter les particules, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures (HC) ainsi que les oxydes d'azote (NOx).

Diffusion sur le marché	Seul les véhicules à essence équipés d'un système d'injection directe sont règlementés sur les rejets de particules fines. Deux solutions s'offrent aux constructeurs : Traiter les particules en optimisant la combustion. <
Constructeurs concernés	Certains moteurs Mercedes (M256 et M176), VAG (1,4 TSI), PSA (1,2 et 1,6 THP) sont déjà ou vont être équipés d'un filtre à particules.
Innovation engendrant des entretiens	Non
Innovation engendrant des réparations	Oui
Types de réparations	Remplacement du filtre à particules (FAP).
Dispositif législatif en rapport avec l'innovation	Règlement de dépollution Euro 6c, Euro 6dTemp, Euro 6d; directive Européenne 2014/45/CE; Loi sur la transition énergétique du 17 août 2015, article 65; Norme NFR 10.025/2016
Contrôle technique	Voici ce que prévoit la directive Européenne 2014/45/CE relative au contrôle technique périodique des véhicules à moteur et de leurs remorques du 03 avril 2014 : "Le durcissement des normes applicables aux émissions des véhicules n'a pas donné lieu à l'amélioration de la qualité de l'air escomptée, notamment en ce qui concerne l'oxyde d'azote (NOx) et les particules fines. Par conséquent, il convient d'examiner avec attention les possibilités d'améliorer les cycles d'essai de façon à dégager des solutions nouvelles, y compris la mise en place de méthodes de contrôle permettant de mesurer les niveaux de NOx et de valeurs limites pour les émissions de NOx". Cette directive est en parfait accord avec un autre texte, bien français celui-là, la loi sur la transition énergétique du 17 août 2015, article 65 : "Le contrôle des émissions de polluants atmosphériques et des particules fines émanant de l'échappement des véhicules particuliers ou utilitaires légers est renforcé lors du contrôle technique. Le contrôle des émissions de particules fines issues de l'abrasion est renforcé dès lors que les moyens techniques seront disponibles. Ce contrôle porte sur les niveaux d'émissions de monoxyde de carbone, d'hydrocarbures imbrûlés, d'oxydes d'azote, de dioxyde de carbone et d'oxygène ainsi que de particules fines et permet de vérifier que le moteur est à l'optimum de ses capacités thermodynamiques. Les modalités d'application du présent article sont précisées par décret avant le 1er janvier 2017". Enfin, et à destination des personnes qui seraient tentées d'apporter des modifications aux dispositifs de contrôle des émissions polluantes de leur véhicule, le code de la route, dans son article L318-3, modifié par la loi n°2015-992 du 17 août 2015 article 58: "I.-Est puni d'une amende de 7 500 € le fait de réaliser sur un véhicule des transformations ayant pour effet de supprimer un dispositif de maîtrise de la pollution, d'en dégrader la performance ou de masquer son éventuel dysfonctionnement, ou de se livrer à la propagande ou à la publicité, quel qu'en soit le mode, en faveur de ces transformations. II.-Les personnes physiques coupables du délit mentionné au I du présent article encourent également la peine complémentaire d'interdiction, suivant les modalités prévues à l' article 131-27 du code pénal , d'exercer l'activité professionnelle ou sociale dans l'exercice ou à l'occasion de l'exercice de laquelle le délit a été commis, pour une durée maximale d'un an. III.-Les personnes morales déclarées pénalement responsables, dans les conditions prévues à l' article 121-2 du code pénal , du délit défini au I du présent article encourent, outre l'amende suivant les modalités prévues à l' article 131-38 du code pénal , les peines prévues aux 4°, 5°, 8° et 9° de l'article 131-39 du même code". A partir du 20 mai 2018, et consécutivement à la mise en place de la nouvelle réglementation du contrôle technique, l'opacité des fumées d'échappement des véhicules homologués Euro 6 sera contrôlée en prenant comme seuil maximum, la valeur d'homologation du véhicule (au lieu de la nouvelle valeur réglementaire de 0,7 m-1), ce qui va être une première étape vers un contrôle plus sévère des émissions polluantes. Puis, à partir du 01 janvier 2019, tous les véhicules Diesel concernés par le contrôle de l'opacité, seront contrôlés au moyen d'un opacimètre respectant les prescriptions de la norme NFR 10.025/2016 (au lieu de l'actuelle norme NFR 10.e025/1996). Cette nouvelle norme impose un cycle d'essai beaucoup plus contraignant dans les manipulations faites par le contrôleur. La procédure de mesure prévoit d'invalider le résultat si : Le régime atteint n'est pas compris entre 0.85 et 1.15 fois le régime de référence (régime maximum atteint lors de la première accélération) La montée en régime est inférieure à 2000 tr/mn/s L'écart maxi entre deux mesures est supérieur à 0.25 m-1 Les deux 1ères mesures sont inférieures à 50% de la limite (valeur d'homologation) et respectent les trois critères ci-dessus : le véhicule est accepté. Les deux premières mesures sont supérieures à 150% de la limite et respectent les trois critères : le véhicule est refusé. Toute autre situation entraine la réalisation d'une mesure supplémentaire. Le calcul pris en compte est la moyenne des 3 dernières accélérations. ce résultat doit être inférieur à la limite. Ce cycle peut amener l'opérateur à réaliser jusqu'à 7 accélérations du moteur au régime maxi. Au bout du cycle, le véhicule est accepté si la moyenne des 3 résultats est inférieure à la limite et sera refusé dans le cas contraire.
Mots-clés	Filtre à Particules, FAP, GPF, particules

Méthodes et pratiques

Il n'y a pas de périodicité de remplacement du filtre à particule. Ces dispositifs FAP essence ne sont pas équipés d'un système d'additivation. Il n'y a donc pas d'activité d'entretien de prévue.

Une anomalie de fonctionnement du Filtre à Particules peut entrainer l'allumage d'un voyant spécifique. Un dysfonctionnement important entrainera l'allumage du voyant de diagnostic moteur. Dans certains cas une régénération forcée du filtre à l'atelier sera possible. Le FAP sera remplacé lorsqu'un diagnostic révélera un taux de colmatage excessif de celui-ci.

L'utilisation de l'outil de diagnostic et de sa fonction Scantool permettra de diagnostiquer les défaillances de la fonction "filtre à particules" (capteur de pression différentielle ou FAP).

Lors du remplacement d'un Filtre à Particules essence, les règles d'hygiène, de sécurité et de recyclage énoncées par le constructeur devront être respectées.

Entreprises concernées aujourd'hui	Spécialistes, MRA, RA2, RA1
Métiers concernés	Mécanicien-Technicien Auto

Impact sur les compétences en atelier

Le technicien qui intervient sur un système "filtre à particules" essence doit :

Connaitre le fonctionnement des systèmes de gestion moteur essence.
Connaitre le fonctionnement des systèmes de dépollution essence.
Savoir appliquer une méthode de diagnostic.
Savoir utiliser un outil de diagnostic dans ses fonctions : lecture des paramètres, lecture et effacement des défauts, test des actionneurs...
Savoir utiliser un manomètre, un multimètre.

Exemple d’outillage approprié

Outil de diagnostic.
Multimètre.