Le pot catalytique s’occupe des gaz toxiques ; il n’a jamais été conçu pour la suie, ces particules de carbone microscopiques que la combustion diesel — et, depuis environ une décennie, les moteurs essence à injection directe aussi — produisent en quantités réellement nocives. C’est un travail distinct pour un composant distinct : le filtre à particules, FAP (Filtre À Particules, DPF en anglais) sur les diesels ou GPF (Gasoline Particulate Filter) sur les moteurs essence à injection directe. Les deux fonctionnent sur le même principe de base, et partagent le même problème fondamental : ils doivent périodiquement brûler ce qu’ils piègent, à une température que la conduite urbaine ordinaire n’atteint fréquemment jamais.
Un labyrinthe en céramique qui force les gaz à traverser ses propres parois
À l’intérieur du boîtier métallique du filtre se trouve un substrat céramique en nid d’abeille, mais avec une différence cruciale par rapport à la conception à canaux ouverts d’un pot catalytique : les canaux d’un filtre à particules sont bouchés alternativement à leurs extrémités opposées, ce qui force chaque molécule de gaz d’échappement à passer latéralement à travers les parois céramiques microscopiquement poreuses entre un canal et le suivant, plutôt que de circuler tout droit. Cette géométrie à écoulement traversant est ce qui piège réellement la suie — les particules trop grosses pour passer par les pores restent physiquement collées à la surface de la paroi tandis que le gaz lui-même la traverse — et c’est aussi précisément pourquoi un filtre gravement encrassé étouffe la respiration du moteur et nuit à la consommation : plus la suie s’accumule sur ces parois, plus le moteur doit travailler pour pousser les gaz d’échappement à travers des passages qui se réduisent.
Régénération passive : brûler la suie presque gratuitement
La suie elle-même ne s’enflamme pas en dessous de 550°C, une température que l’échappement diesel ordinaire n’atteint pratiquement jamais de lui-même ; les températures habituelles à l’échappement d’un diesel se situent typiquement entre 200°C et 400°C selon la charge. Le revêtement catalytique du filtre résout ce décalage chimiquement plutôt que thermiquement : il favorise une réaction entre la suie piégée et le dioxyde d’azote (NO2) présent dans le flux d’échappement, qui brûle la suie en continu à ces mêmes températures quotidiennes de 200-400°C, sans qu’aucun pic de chaleur spectaculaire ne soit nécessaire. Cette régénération passive se produit constamment et invisiblement lors de toute conduite avec une charge et un débit d’échappement suffisamment soutenus — le trajet autoroutier étant le cas d’école — ce qui explique précisément pourquoi une voiture qui ne fait que de petits trajets urbains à basse vitesse peine : il y a rarement un débit d’échappement suffisamment soutenu pour que la régénération passive suive le rythme de l’accumulation de suie.
Régénération active : le calculateur augmente délibérément la température
Lorsque le modèle de charge en suie du calculateur moteur (calculé à partir de capteurs de pression situés en amont et en aval du filtre, croisé avec le kilométrage et le style de conduite) détermine que la régénération passive ne suit pas le rythme, il déclenche la régénération active : il injecte du carburant supplémentaire tard dans le cycle de combustion, après le point où celui-ci contribuerait normalement à la puissance, spécifiquement pour porter la température d’échappement dans la plage de 550-650°C où la suie piégée s’enflamme enfin et brûle directement, sans aucun raccourci chimique pour l’assister. C’est le processus qu’un conducteur remarque réellement — un ralenti légèrement plus rugueux, une odeur chaude ou inhabituelle, parfois un message au tableau de bord demandant explicitement une période soutenue de conduite à vitesse plus élevée — et c’est aussi la cause la plus fréquente des pannes liées au FAP : une voiture qui ne fait que de petits trajets peut rester bloquée dans un cycle perpétuel où la régénération active démarre puis la voiture est éteinte avant qu’elle ne se termine, accumulant toujours plus de suie à chaque tentative incomplète, jusqu’à ce que le filtre s’encrasse suffisamment pour déclencher un voyant ou, dans le pire des cas, doive être remplacé purement et simplement.
FAP et GPF : même principe, chimie d’échappement différente
Les moteurs essence à injection directe — la même technologie GDI vantée ailleurs dans cette série pour son dosage précis du carburant — se sont révélés avoir un effet secondaire indésirable : injecter le carburant directement dans le cylindre, plutôt que de le prémélanger dans le collecteur d’admission, laisse nettement moins de temps au carburant et à l’air pour se mélanger uniformément avant l’allumage, ce qui produit mesurablement plus de particules de suie que n’en produisaient les anciens moteurs essence à injection indirecte. C’est exactement pourquoi les GPF sont devenus obligatoires dans toute l’UE à partir de septembre 2017 (Euro 6c) sur les voitures essence GDI, utilisant le même principe céramique à écoulement traversant qu’un FAP. La chimie est toutefois plus facile à gérer côté essence : l’échappement essence est plus chaud que l’échappement diesel et les moteurs essence produisent à la base environ dix fois moins de masse de suie, si bien que les GPF ont généralement besoin d’une régénération active moins agressive et s’encrassent bien moins souvent en usage courant qu’un FAP diesel.
La recherche européenne en quête d’un seuil d’inflammation plus bas
La température d’inflammation de la suie à 550°C est le véritable goulot d’étranglement derrière chaque désagrément lié au FAP que vit un conducteur, et le projet européen NANDEEC (« Nano-Fiberous Catalysed Filters for Diesel Exhaust Emission Control », Horizon 2020, bourse individuelle Marie Skłodowska-Curie, coordonné par l’université de Birmingham, Royaume-Uni, 195 455 €, 2015-2017) s’est attaqué directement à ce chiffre : développer un revêtement catalytique à structure nanofibreuse (à base d’oxydes de praséodyme et de manganèse) spécifiquement conçu pour enflammer la suie piégée à une température plus basse que ne le permettent les revêtements classiques, dans le but de rendre la régénération passive efficace sur davantage de conditions de conduite réelles, pas seulement lors d’un trajet autoroutier soutenu. Côté essence, le bien plus vaste projet UPGRADE (« High Efficient Particulate-Free Gasoline Engines », Horizon 2020, Research and Innovation Action, coordonné par le Centro Ricerche Fiat, Italie, 8,12 M€, 2016-2019) a développé la technologie GPF spécifiquement pour la nouvelle génération de moteurs GDI stœchiométriques et à combustion pauvre, en même temps que les systèmes d’injection, de suralimentation et de gestion thermique qui déterminent la quantité de particules qu’un moteur GDI produit dès l’origine — s’attaquant au problème à la fois du côté de la combustion et du côté du filtre.
Photo: © Car-Shooters