Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Caractérisation des émissions particulaires issues du freinage de véhicules légers, utilitaires et poids-lourds, par couplage de mesures embarquées et sur banc à rouleaux

Laboratoire principal - Référent principal AME - EASE  -  VANSEVENANT Boris      tél. : +33 472142508

Directeur du laboratoire principal DO Minh-Tan  -

Spécialité de la thèse Sciences de l'ingénieur

Axe 3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires

Site principal Bron

Etablissement d'inscription

Ecole doctorale MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)

Directeur de thèse prévu LIU Yao  -  Université Gustave Eiffel  -  AME - EASE

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

1) État de l’art

La pollution atmosphérique représente un enjeu majeur du fait de ses impacts sur le climat, l’environnement et la santé. L’exposition à la pollution de l’air aurait entraîné en France en 2018 plus de 40 000 morts prématurées (EEA, 2020). Le secteur des transports est une des sources principales de polluants atmosphériques. Notamment, le trafic routier demeure un des principaux émetteurs de particules en zone urbaine, avec à Lyon 19 % des émissions de particules fines PM2,5 (Atmo AURA, 2021).

Une part croissante des émissions du trafic routier provient de sources dites hors-échappement : l’abrasion des freins, des pneus et de la chaussée, et la remise en suspension des polluants de la chaussée. Avec la baisse des émissions à l’échappement, et avec l’électrification du parc pour la décarbonation du secteur, la part des émissions hors-échappement tend à devenir majoritaire (Harrison et al., 2021). Les polluants hors-échappement incluent notamment des particules, des métaux, mais aussi des composés organiques volatils (Perraud et al., 2024) ou du black-carbon (Lyu and Olofsson, 2020), récemment identifiés dans la littérature.

Les polluants issus du freinage ont des effets avérés sur la santé (Selley et al., 2020), et contribuent à environ la moitié des particules hors-échappement (Piscitello et al., 2021). Des travaux récents ont permis de définir des méthodologies pour l’étude de ces polluants, en vue de les réglementer dans la future norme EURO 7 (Grigoratos et al., 2023; Mathissen et al., 2023). Ces méthodologies s’appuient en partie sur des bancs de freinage, étudiant directement un système composé d’un disque de frein et de plaquettes. En complément de ces essais, des études sur véhicule réel et en conditions plus représentatives seraient un levier pour mieux décrire les émissions. Elles pourraient s’appuyer sur des essais en laboratoire sur un banc à rouleaux, ou des essais sur route réelle (mesures embarquées). Cela permettrait de mieux comprendre les émissions liées à certains véhicules ou conditions : véhicules hybrides et électriques équipés de freinage régénératif (dont l’impact sur les émissions demeure mal décrit), poids-lourds (difficilement étudiables en laboratoire), freinages spécifiques (embouteillages, freinages d’urgence, longues descentes). Toutefois, malgré leur intérêt pour accroître la représentativité des résultats obtenus, les mesures embarquées ou sur banc à rouleaux sont liées à des difficultés méthodologiques, et nécessitent le développement de protocoles spécifiques.

Par ailleurs, les normes réguleront dans un premier temps les particules en masse (Dornoff and Rodríguez, 2024). Elles n’incluront pas les émissions des particules les plus fines, quantifiées en nombre, ou du black-carbon, malgré leurs impacts. Leur étude est essentielle pour mieux décrire l’impact réel du trafic routier, mais elle reste associée à des difficultés expérimentales et analytiques. Il existe donc un besoin de développement sur les méthodes d’échantillonnage et de quantification de ces polluants.

2) Objectifs et déroulement des travaux de thèse

Ce sujet de thèse vise à renforcer les connaissances sur les émissions polluantes issues du freinage des véhicules routiers en conditions représentatives, à travers trois objectifs spécifiques :
- Développement méthodologique pour la mesure des émissions de particules ultrafines et du black-carbon issues du freinage
- Optimisation de la méthodologie et application sur banc à rouleaux pour l’étude sur véhicules légers et utilitaires
- Caractérisation des émissions en conditions réelles de circulation par mesures embarquées, sur des véhicules fortement émetteurs de type utilitaires et poids-lourds.

Le premier objectif vise à développer une méthodologie expérimentale pour permettre la mesure des polluants des freins sur des véhicules routiers légers, utilitaires et poids-lourds. Le travail consistera tout d‘abord en une partie bibliographique, pour documenter les méthodes existantes et l’état des connaissances sur les conditions de prélèvement. Ensuite, les connaissances acquises serviront à définir un protocole expérimental pour mesurer les polluants des freins sur le banc à rouleaux et en mesures embarquées. Le protocole précisera notamment la technique d’échantillonnage des polluants, les conditions de prélèvement et la méthode analytique pour obtenir des facteurs d’émission. Elle précisera les éventuelles adaptations à réaliser sur le banc à rouleaux, ainsi que les contraintes spécifiques liées aux mesures embarquées.

Le second objectif vise à appliquer la méthodologie précédemment définie, sur le banc à rouleaux, avec comme but premier de l’éprouver et de l’optimiser. Le protocole expérimental sera testé avec un véhicule léger, pour identifier des difficultés techniques et optimiser les conditions de prélèvement. Les données obtenues seront comparées avec la littérature. Des modifications seront réalisées jusqu’à validation de la méthodologie. Dans un second temps, la méthodologie sera mise en œuvre avec divers véhicules légers en vue de produire des données sur les émissions de particules et black-carbon issues des freins. Les véhicules testés couvriront diverses gammes (citadine, SUV, utilitaire), technologies de freins (dont freinage régénératif des véhicules électriques), et divers types de plaquettes de frein. Diverses conditions de conduite seront simulées (urbain, péri-urbain, autoroutier). Les résultats seront analysés en vue de discuter l’impact de ces paramètres : poids, technologies de freins, type de plaquettes, fréquence et intensité des freinages, vitesse de conduite.

Le troisième objectif vise à caractériser les émissions des freins dans des conditions réelles de conduite par mesures embarquées. L’impact de certaines situations non simulables en laboratoire sera caractérisé : freinages fréquents en cas d’embouteillages, freinages brusques, descentes, etc. Ces mesures embarquées se feront tout d’abord avec le véhicule utilitaire léger testé sur le banc à rouleaux (en objectif 2), car ses dimensions permettent à la fois des tests en laboratoire et des mesures embarquées. Cette approche complémentaire, couramment utilisée pour les mesures à l’échappement, permet d’obtenir des résultats à la fois répétés (banc à rouleaux) et représentatifs de comportements réels de conduite. Ensuite, les mesures embarquées seront menées sur des poids-lourds, qui sont une classe de véhicules fortement émettrice mais difficile à étudier en laboratoire. Des poids-lourds de 18t seront choisis, car ils sont fortement présents en zones urbaines. Plusieurs chargements seront testés : à vide, charge moyenne, et pleine charge. Aussi, deux véhicules seront comparés : l’un à motorisation thermique, et l’autre à motorisation électrique (avec freinage régénératif).

Les travaux menés à travers ces trois objectifs permettront, grâce à un développement méthodologique, de produire une quantité importante de données sur les émissions des freins dans des conditions représentatives de la réalité. Ils couvriront une large gamme de véhicules du parc roulant et de technologies de freins. Les résultats concerneront des polluants encore mal documentés pour les sources hors-échappement, et éclaireront sur la contribution du trafic routier à la pollution atmosphérique.

3) Moyens mis en œuvre et encadrement

Les mesures en laboratoire seront menées sur le banc à rouleaux du laboratoire EASE de l’Université Gustave Eiffel. Cet équipement de pointe permet des études sur des véhicules légers (individuels ou utilitaires). Les mesures embarquées seront menées dans le cadre du projet HORECHAP, financé par l’ADEME sur la période 2025-2027. Les instruments de mesure du laboratoire EASE seront mis à disposition lors de l’ensemble des essais.

L’étudiant.e en thèse sera inscrit.e à l’ED MEGA. La thèse sera dirigée par Yao Liu (chargée de recherche HDR, EASE) et co-encadrée par Boris Vansevenant (docteur, ingénieur de recherche, EASE). Ils encadreront l’étudiant.e sur les aspects expérimentaux et théoriques, en apportant leurs compétences sur la méthodologie de caractérisation des polluants du trafic routier.

4) Références

Atmo AURA, 2021. Etude réglementaire ZFE - VP Crit’air 5 et Non Classés. Atmo AURA, Métropole de Lyon.
Dornoff et al., 2024. Euro 7: The new emission standard for light- and heavy-duty vehicles in the European Union. ICCT.
EEA, 2020. Air quality in Europe: 2020 report. Publications Office, LU.
Grigoratos et al., 2023. Interlaboratory Study on Brake Particle Emissions—Part I: Particulate Matter Mass Emissions. Atmosphere 14, 498. https://doi.org/10.3390/atmos14030498
Harrison et al., 2021. Non-exhaust vehicle emissions of particulate matter and VOC from road traffic: A review. Atmos. Environ. 262, 118592. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2021.118592
Lyu et al., 2020. On black carbon emission from automotive disc brakes. J. Aerosol Sci. 148, 105610. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2020.105610
Mathissen et al., 2023. Interlaboratory Study on Brake Particle Emissions Part II: Particle Number Emissions. Atmosphere 14, 424. https://doi.org/10.3390/atmos14030424
Perraud et al., 2024. Unrecognized volatile and semi-volatile organic compounds from brake wear. Environ. Sci. Process. Impacts 26, 928–941. https://doi.org/10.1039/D4EM00024B
Piscitello et al., 2021. Non-exhaust traffic emissions: Sources, characterization, and mitigation measures. Sci. Total Environ. 766, 144440. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144440
Selley et al., 2020. Brake dust exposure exacerbates inflammation and transiently compromises phagocytosis in macrophages. Metallomics 12, 371–386. https://doi.org/10.1039/c9mt00253g

Mots-clefs: Pollution atmosphérique ; trafic routier ; émissions hors-échappement ; émissions des freins ; particules.

Laboratoire principal - Référent principal	AME - EASE - VANSEVENANT Boris tél. : +33 472142508
Directeur du laboratoire principal	DO Minh-Tan -
Spécialité de la thèse	Sciences de l'ingénieur
Axe	3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires
Site principal	Bron
Etablissement d'inscription
Ecole doctorale	MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)
Directeur de thèse prévu	LIU Yao - Université Gustave Eiffel - AME - EASE
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé 1) État de l’art La pollution atmosphérique représente un enjeu majeur du fait de ses impacts sur le climat, l’environnement et la santé. L’exposition à la pollution de l’air aurait entraîné en France en 2018 plus de 40 000 morts prématurées (EEA, 2020). Le secteur des transports est une des sources principales de polluants atmosphériques. Notamment, le trafic routier demeure un des principaux émetteurs de particules en zone urbaine, avec à Lyon 19 % des émissions de particules fines PM2,5 (Atmo AURA, 2021). Une part croissante des émissions du trafic routier provient de sources dites hors-échappement : l’abrasion des freins, des pneus et de la chaussée, et la remise en suspension des polluants de la chaussée. Avec la baisse des émissions à l’échappement, et avec l’électrification du parc pour la décarbonation du secteur, la part des émissions hors-échappement tend à devenir majoritaire (Harrison et al., 2021). Les polluants hors-échappement incluent notamment des particules, des métaux, mais aussi des composés organiques volatils (Perraud et al., 2024) ou du black-carbon (Lyu and Olofsson, 2020), récemment identifiés dans la littérature. Les polluants issus du freinage ont des effets avérés sur la santé (Selley et al., 2020), et contribuent à environ la moitié des particules hors-échappement (Piscitello et al., 2021). Des travaux récents ont permis de définir des méthodologies pour l’étude de ces polluants, en vue de les réglementer dans la future norme EURO 7 (Grigoratos et al., 2023; Mathissen et al., 2023). Ces méthodologies s’appuient en partie sur des bancs de freinage, étudiant directement un système composé d’un disque de frein et de plaquettes. En complément de ces essais, des études sur véhicule réel et en conditions plus représentatives seraient un levier pour mieux décrire les émissions. Elles pourraient s’appuyer sur des essais en laboratoire sur un banc à rouleaux, ou des essais sur route réelle (mesures embarquées). Cela permettrait de mieux comprendre les émissions liées à certains véhicules ou conditions : véhicules hybrides et électriques équipés de freinage régénératif (dont l’impact sur les émissions demeure mal décrit), poids-lourds (difficilement étudiables en laboratoire), freinages spécifiques (embouteillages, freinages d’urgence, longues descentes). Toutefois, malgré leur intérêt pour accroître la représentativité des résultats obtenus, les mesures embarquées ou sur banc à rouleaux sont liées à des difficultés méthodologiques, et nécessitent le développement de protocoles spécifiques. Par ailleurs, les normes réguleront dans un premier temps les particules en masse (Dornoff and Rodríguez, 2024). Elles n’incluront pas les émissions des particules les plus fines, quantifiées en nombre, ou du black-carbon, malgré leurs impacts. Leur étude est essentielle pour mieux décrire l’impact réel du trafic routier, mais elle reste associée à des difficultés expérimentales et analytiques. Il existe donc un besoin de développement sur les méthodes d’échantillonnage et de quantification de ces polluants. 2) Objectifs et déroulement des travaux de thèse Ce sujet de thèse vise à renforcer les connaissances sur les émissions polluantes issues du freinage des véhicules routiers en conditions représentatives, à travers trois objectifs spécifiques : - Développement méthodologique pour la mesure des émissions de particules ultrafines et du black-carbon issues du freinage - Optimisation de la méthodologie et application sur banc à rouleaux pour l’étude sur véhicules légers et utilitaires - Caractérisation des émissions en conditions réelles de circulation par mesures embarquées, sur des véhicules fortement émetteurs de type utilitaires et poids-lourds. Le premier objectif vise à développer une méthodologie expérimentale pour permettre la mesure des polluants des freins sur des véhicules routiers légers, utilitaires et poids-lourds. Le travail consistera tout d‘abord en une partie bibliographique, pour documenter les méthodes existantes et l’état des connaissances sur les conditions de prélèvement. Ensuite, les connaissances acquises serviront à définir un protocole expérimental pour mesurer les polluants des freins sur le banc à rouleaux et en mesures embarquées. Le protocole précisera notamment la technique d’échantillonnage des polluants, les conditions de prélèvement et la méthode analytique pour obtenir des facteurs d’émission. Elle précisera les éventuelles adaptations à réaliser sur le banc à rouleaux, ainsi que les contraintes spécifiques liées aux mesures embarquées. Le second objectif vise à appliquer la méthodologie précédemment définie, sur le banc à rouleaux, avec comme but premier de l’éprouver et de l’optimiser. Le protocole expérimental sera testé avec un véhicule léger, pour identifier des difficultés techniques et optimiser les conditions de prélèvement. Les données obtenues seront comparées avec la littérature. Des modifications seront réalisées jusqu’à validation de la méthodologie. Dans un second temps, la méthodologie sera mise en œuvre avec divers véhicules légers en vue de produire des données sur les émissions de particules et black-carbon issues des freins. Les véhicules testés couvriront diverses gammes (citadine, SUV, utilitaire), technologies de freins (dont freinage régénératif des véhicules électriques), et divers types de plaquettes de frein. Diverses conditions de conduite seront simulées (urbain, péri-urbain, autoroutier). Les résultats seront analysés en vue de discuter l’impact de ces paramètres : poids, technologies de freins, type de plaquettes, fréquence et intensité des freinages, vitesse de conduite. Le troisième objectif vise à caractériser les émissions des freins dans des conditions réelles de conduite par mesures embarquées. L’impact de certaines situations non simulables en laboratoire sera caractérisé : freinages fréquents en cas d’embouteillages, freinages brusques, descentes, etc. Ces mesures embarquées se feront tout d’abord avec le véhicule utilitaire léger testé sur le banc à rouleaux (en objectif 2), car ses dimensions permettent à la fois des tests en laboratoire et des mesures embarquées. Cette approche complémentaire, couramment utilisée pour les mesures à l’échappement, permet d’obtenir des résultats à la fois répétés (banc à rouleaux) et représentatifs de comportements réels de conduite. Ensuite, les mesures embarquées seront menées sur des poids-lourds, qui sont une classe de véhicules fortement émettrice mais difficile à étudier en laboratoire. Des poids-lourds de 18t seront choisis, car ils sont fortement présents en zones urbaines. Plusieurs chargements seront testés : à vide, charge moyenne, et pleine charge. Aussi, deux véhicules seront comparés : l’un à motorisation thermique, et l’autre à motorisation électrique (avec freinage régénératif). Les travaux menés à travers ces trois objectifs permettront, grâce à un développement méthodologique, de produire une quantité importante de données sur les émissions des freins dans des conditions représentatives de la réalité. Ils couvriront une large gamme de véhicules du parc roulant et de technologies de freins. Les résultats concerneront des polluants encore mal documentés pour les sources hors-échappement, et éclaireront sur la contribution du trafic routier à la pollution atmosphérique. 3) Moyens mis en œuvre et encadrement Les mesures en laboratoire seront menées sur le banc à rouleaux du laboratoire EASE de l’Université Gustave Eiffel. Cet équipement de pointe permet des études sur des véhicules légers (individuels ou utilitaires). Les mesures embarquées seront menées dans le cadre du projet HORECHAP, financé par l’ADEME sur la période 2025-2027. Les instruments de mesure du laboratoire EASE seront mis à disposition lors de l’ensemble des essais. L’étudiant.e en thèse sera inscrit.e à l’ED MEGA. La thèse sera dirigée par Yao Liu (chargée de recherche HDR, EASE) et co-encadrée par Boris Vansevenant (docteur, ingénieur de recherche, EASE). Ils encadreront l’étudiant.e sur les aspects expérimentaux et théoriques, en apportant leurs compétences sur la méthodologie de caractérisation des polluants du trafic routier. 4) Références Atmo AURA, 2021. Etude réglementaire ZFE - VP Crit’air 5 et Non Classés. Atmo AURA, Métropole de Lyon. Dornoff et al., 2024. Euro 7: The new emission standard for light- and heavy-duty vehicles in the European Union. ICCT. EEA, 2020. Air quality in Europe: 2020 report. Publications Office, LU. Grigoratos et al., 2023. Interlaboratory Study on Brake Particle Emissions—Part I: Particulate Matter Mass Emissions. Atmosphere 14, 498. https://doi.org/10.3390/atmos14030498 Harrison et al., 2021. Non-exhaust vehicle emissions of particulate matter and VOC from road traffic: A review. Atmos. Environ. 262, 118592. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2021.118592 Lyu et al., 2020. On black carbon emission from automotive disc brakes. J. Aerosol Sci. 148, 105610. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2020.105610 Mathissen et al., 2023. Interlaboratory Study on Brake Particle Emissions Part II: Particle Number Emissions. Atmosphere 14, 424. https://doi.org/10.3390/atmos14030424 Perraud et al., 2024. Unrecognized volatile and semi-volatile organic compounds from brake wear. Environ. Sci. Process. Impacts 26, 928–941. https://doi.org/10.1039/D4EM00024B Piscitello et al., 2021. Non-exhaust traffic emissions: Sources, characterization, and mitigation measures. Sci. Total Environ. 766, 144440. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144440 Selley et al., 2020. Brake dust exposure exacerbates inflammation and transiently compromises phagocytosis in macrophages. Metallomics 12, 371–386. https://doi.org/10.1039/c9mt00253g
Mots-clefs:	Pollution atmosphérique ; trafic routier ; émissions hors-échappement ; émissions des freins ; particules.

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