Measure and characterization of braking particles emitted from cars on a pin-in-disc bench

Autor: Philippe, Florian
Přispěvatelé: Transformation Intégrée de la Matière Renouvelable (TIMR), Université de Technologie de Compiègne (UTC), Université de Technologie de Compiègne, Martin Morgeneyer, STAR, ABES
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Génie des procédés. Université de Technologie de Compiègne, 2021. Français. ⟨NNT : 2021COMP2615⟩
Popis: Brake wear gives around 50% by mass to total non-exhaust traffic related PMI 0 emissions in urban environments. While engines have become cleaner in the past decades, few improvements were made to lowe non-exhaust emission until recently. Researchers have developed several experimental methods over the past years to assess brake emissions. However, observations tend to differ from a method to another with respect many disciplines, ranging from particle system characterization to brake cycles, and it remains difficult to compare results of different research groups sucha s UNECE PMP or LOWBRASYS. Literature describes two methods to simulate braking in laboratory : inertia dynamometric bench and pin-on-dis bench. Most of studies on braking emissions were performed on dynomometric bench. However, dynamometric bench need a high investment. This thesis looks after the possibility to caracterise and measure braking emissions on a much more affordable setup : pin-on-disc. The new developped experimental setup will then allow cost saving studies while adding experience and knowledge to working group discussions. After a bibliographic study and visits of different benchs (TECSA in Turin — Italy and KTH, Stockholm — Suède), the CETIM TGV pin-on-disc bench has been adapted to the measurement and to the caracterisation of braking emissions. This new experimental setup has firstly shown an efficient isolation from the external environment with very low measured concentrations. Emissions linked to friction events were then measured with size distributions comparable to those seen on dynamometric benchs. In order to optimize results from the new bench, further studies were performed. The first step done was to increase measured particle number to limit insturmentation and transport uncertainties influences. Influence of tribological parameters such as sliding speed, contact pressure and friction surface were hence studied. Parametric studies were also performed on the following experimental parameters : airflow and test timing configuration. The second step was to improve repeatibility of tests and their measured emissions. Studying surfaces allowed to a better understanding of generation mechanisms which in the end led to a repeatability improvement. Lastly, the number ofparticles emitted during a single friction has been chosen as output value. A data protocol has thus been developped and a relevant instrumentation has been defined. Thanks to the performed studies, an experimental measurement protocole which determine emissivity of braking material has been defined for the CETIM pin-on-disc. An experimental study was performed lately and showed the possibility to study braking material emissivity on this bench. The pin-on-disc bench remains a theoretical bench, new studies about generation mechanisms understanding can be done. Those news studies and their results could extend to other domain, like railwa which share the same brakin emission problematic.
Suite à la réduction significative des émissions de particules de combustion dans le secteur automobile, les particules d’usures de freinage, de route et de pneus seraient responsables d’environ 50% (PM10) de la pollution particulaire du trafic routier. Ces émissions dont la contribution est vouée à augmenter seront certainement le sujet de futures réglementations à l’horizon 2025. Pour autant, les moyens de mesure de ces émissions sont encore aujourd’hui source de discussions au sein de nombreux groupes de travail comme UNECE PMP ou LOWBRASYS. Et à ce jour, aucun protocole d’homologation des émissions dues au freinage n’a été établi.La littérature décrit deux moyens de simulation du freinage en laboratoire : le banc dynamométrique à inertie et le banc pion-disque. La majorité des études sur les émissions de freinage sont réalisées sur banc dynamométrique. Cependant, les bancs dynamométriques représentent un investissement conséquent. Cette thèse porte donc sur la possibilité de caractériser les émissions de freinage avec un moyen bien plus économique : le pion-disque. Le nouveau moyen expérimental ainsi développé pourra permettre la réalisation d’études d’émissivité économiques, tout en apportant des arguments et de l’expérience aux discussions des différents groupes de travail.Après une étude bibliographique et des visites de différents bancs (TECSA, Turin, Italie et KTH, Stockholm, Suède), le banc pion-disque TGV du CETIM a été adapté à la mesure et à la caractérisation des émissions de freinage. Ce nouveau moyen d’essai a tout d’abord montré un confinement efficace vis-à-vis de l’environnement extérieur avec des mesures de concentrations de particules quasi nulles. Par la suite, des émissions ponctuelles couplées à des mesures de concentrations et de distribution en taille des aérosols ont montré la possibilité de mesurer des émissions comparables à celles obtenues sur bancs dynamométriques.Afin d’optimiser les résultats obtenus sur le banc, plusieurs études ont été réalisées. Dans un premier temps, le nombre de particules mesurées a été maximisé dans l’optique de limiter l’impact des incertitudes liées au transports et aux instruments de mesure. Pour ce faire, l’influence des paramètres tribologiques tels que la vitesse, la pression de contact et la surface de frottement a été qualifiée. De même, les paramètres expérimentaux comme le débit d’air et la structure des essais ont été étudiés. Dans un second temps, l’étude des surfaces couplée à la mesure de concentrations particulaires a permis d’améliorer la répétabilité des essais et d’apporter des éléments de réponse pour mieux comprendre les mécanismes de génération des particules. Enfin, la valeur d’un nombre de particules émises lors d’un frottement a été retenu comme valeur de sortie de l’expérience. Un protocole de traitement de données a été développé et une instrumentation a été définie en conséquence.Grâce aux différentes études jusqu’alors réalisées, un protocole de mesure d’émissivité de matériaux de freinage propre au banc pion-disque du CETIM a été défini. Une étude expérimentale réalisée ultérieurement montre la possibilité d’étudier l’émissivité de différents matériaux de freinages. Le pion-disque restant un outil d’études théoriques, des nouvelles études autour de la compréhension des mécanismes de génération des particules pourront être menées. Ces nouvelles études pourront s’étendre à d’autres secteurs comme le secteur ferroviaire, qui partage cette problématique d’émission de freinage.
Databáze: OpenAIRE
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