Compréhension et modélisation des mécanismes de captation des aérosols par couplage des phénomènes aérodynamiques et électriques

standing and modeling the aerosol capture mechanisms by coupling aerodynamic and electric effects

• Auteur / Autrice : Adrien Reynaud
• Direction : Jean-Paul Viricelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ed Sis 488
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels / SPIN-ENSMSE
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Dufour Dabadie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Dufour Dabadie, Jérôme Yon, Daniel Ferry, Jean-François Doussin, Stéphane Zinola
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Yon, Daniel Ferry
• DOI : 10.70675/b859f24dz5e90z4924za0a8z3d199d7f93a3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Suie

Capteurs (technologie)

Lutte contre la pollution

Aérosols

Mots clés libres

Post-traitement des échappements

Aérosol

Capteur résistif

Particules de suie

Soot particles

Resistive sensor

Aerosol

Exhaust after treatment

Résumé

Les particules ultrafines émises par les moteurs thermiques ont un impact grave sur la santé. Depuis la norme Euro 3, la règlementation EOBD impose aux véhicules d’auto-diagnostiquer leurs propres organes de dépollution. Depuis la norme Euro 6b, le nombre de particules émises par les moteurs Diesel et essence est réglementé. Les capteurs résistifs permettent d’estimer le dépassement de seuil en concentration massique d’un aérosol de suie. Les suies se déposent entre les électrodes du capteur, créant des microstructures semblables à des ponts dont la résistance est mesurée.Leur robustesse et leur faible coût de fabrication en font de bons candidats pour le diagnostic embarqué des filtres à particules mais la concentration en nombre de particules n’est pas encore accessible.L’objectif de ce travail est d’étudier les mécanismes de captation conduisant à la formation des microstructures de suie. Dans une approche expérimentale, les particules de suie ont été classifiées en fonction de leur taille grâce à deux techniques différentes : la classification électrostatique et la classification aérodynamique. Cela a permis d’étudier le comportement du capteur soumis à des particules entre 60 et 150 nm.Enfin, un modèle de compréhension simule la construction des microstructures de suie. Les trajectoires des particules sont calculées et la modélisation de leur dépôt sur les électrodes est couplée avec le calcul des champs électrique et la dynamique des fluides. Cette méthode s’inspire d’un modèle de la littérature et l’enrichit d’un mécanisme appelé diélectrophorèse, expliquant mieux la formation des microstructures. L’influence de la taille des particules a été étudiée pour expliquer les tendances observées expérimentalement.

Ultrafine soot particle emissions from thermal engines have harmful health effects. Since Euro 3 standard, EOBD regulation obliges vehicules to perform the on-board diagnostic of their own aftertreatment system. Since Euro 6b standard, the particle number (PN) emitted from Diesel and gasoline engines is regulated. Resistive sensors evaluate a particulate matter (PM) of soot threshold exceedance. The nanoparticles are collected between interdigitated electrodes, building bridgelike micro-structures of which. Although their robustness and their low production cost make the resistive soot sensor a good candidate for the Diesel particulate filter diagnosis, the current understanding does not allow to access PN.The objective of this work is to study the deposit mechanisms leading to the soot micro-structures. Particles have been classified according to their diameters in an experimental approach thanks to two different techniques : the electrostaticclassification and the aerodynamic classification. Those methods allow the study the sensor behaviour to monodisperse aerosol between 60 and 150 nm.Finally, a model for understanding the soot micro-structures construction have been developed. Soot particles are tracked until their deposit on the electrodes, which is coupled with the electric and aerodynamic fields computation. This approach is inspired by a model from the literature and is extended by a mechanism called dielectrophoresis, which provides a better understanding of the micro-structures construction. The influence of particle size was studied to explain trends observed experimentally.