Quantifizierung nicht-abgasbedingter Partikelemissionen aus Reifen-und Straßenabrieb mittels statistischer Versuchsplanung

Abstract

In der kommenden Euro-7-Regelung werden erstmals Maßnahmen zur Regulierung von Brems- und Reifenabrieb bei PKW (≤3,5 t) eingeführt. Für die PM10-Emissionen des Bremsabriebs sind Grenzwerte von 3-7 mg/km abhängig von der Antriebsart festgelegt worden. Für den Reifenabrieb sind bislang keine Grenzwerte verabschiedet. Vorgesehen ist derzeit eine Begrenzung der freigesetzten Abriebmasse in mg/km, unabhängig von Partikelgröße oder PM₁₀-Anteil. Das Größenspektrum der Reifenpartikel erstreckt sich dabei über die Größenordnungen 20-100 µm und 2-10 µm. Eine Reduktion der Gesamtabriebmasse könnte den Anteil der größeren Partikel verringern, während der relative Anteil von PM10-Partikeln zunimmt. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit untersucht, wie sich veränderbare Betriebsbedingungen am Prüfstand auf die im PM₁₀-Bereich erfassten Partikelanzahlen und -massen auswirken. Mit Hilfe von Design-of-Experiments Methoden am DLR TRWP-Measurement System™ Rollenprüfstand wurden die Einflussgrößen Umgebungstemperatur, Reifenfülldruck und der Schräglaufwinkel des Reifens hinsichtlich ihrer Effekte auf Feinstaubemissionen während des WLTC-Fahrzyklus untersucht. Das DoE wurde als 2³-Full-Factorial-Design mit drei Parametern und zwei Faktorstufen geplant. Zur Varianz- und Signifikanzanalyse (ANOVA) wurden die Versuchskombinationen repliziert. Mit dem Einsatz von OPS- und MCPC-Messgeräten wurden dabei die Partikelkonzentrationsverläufe, die kumulierte Partikelkonzentrationen sowie die Partikelgrößenverteilungen sowohl für den gesamten Fahrzyklus als auch sektionsweise erfasst. Die Ergebnisse zeigten, dass die Umgebungstemperatur einen signifikanten Effekt insbesondere auf die Partikelgrößenverteilung hatte, da höhere Temperaturen zu einer Verschiebung in Richtung kleinerer Partikel und zu höheren Partikelanzahlen führten. Während der Schräglaufwinkel des Reifens keinen deutlichen quantifizierbaren Einfluss zeigte, wirkte sich der Reifenfülldruck in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur auf die Emissionen aus. Zudem wurden Robustheit und Reproduzierbarkeit des Messsystems durch wiederholte WLTC-Messungen in zwei Messkampagnen nachgewiesen und zugleich die Grenzen der Methode identifiziert.