Entwicklung und Validierung eines Partikelmesssystems zur Erfassung von Tire and Road Wear Particles

Abstract

Messsysteme zur Sammlung, Quantifizierung und Qualifizierung von Reifenpartikeln ermöglichen die Analyse von Nicht-Abgas bedingten Partikelemissionen, welche von den Reifen von Kraftfahrzeugen emittiert werden. Durch den gezielten, effizienten Transport von, in Luft suspendierten, Reifenpartikeln von ihrem Entstehungspunkt zu verschiedenen Messgeräten können sowohl Partikelanzahl, Masse sowie Größenverteilung in Echtzeit bestimmt werden, als auch Partikel für zusätzliche offline Analyse gesammelt werden. Im Zuge der offline Analyse kann Partikelmasse, welche durch Zyklonabscheider und Filter gesammelt wurde, gravimetrisch bestimmt werden. Dies ist von großer Relevanz um die Entstehung und Zusammensetzung von Reifenpartikeln besser zu verstehen und um eine Gesetzgebung basierend auf empirischer Evidenz zur Reduktion der Umweltbelastung einzuführen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein leistungsfähiges, mobiles, Housing basiertes Messsystem zur Erfassung von TRWP entwickelt, aufgebaut und getestet. Zunächst wurden die Konstruktionsanforderungen und -beschränkungen erörtert und das zuvor verwendete Indoor System analysiert. Zu den Konstruktionsanforderungen zählen die Minimierung des Einflusses von Partikeln in der Umgebungsluft, eine hocheffiziente Aerosolführung zur Minimierung von Partikelverlusten sowie die Möglichkeit, das System an verschiedene Fahrzeuge anzupassen. Das zuvor entwickelte System des DLR ist ebenfalls Housing basiert, jedoch für den stationären Einsatz auf dem Rollenprüfstand ausgelegt. Bestimmte Elemente, wie die allgemeinen Abmessungen des Gehäuses, die Konstruktion des Probenahmetrichters und Teile des Lüftungssystem, wurden in das neue System übernommen bzw. adaptiert. Befestigungsmöglichkeiten für die Einhausung, speziell für das verwendete Fahrzeug, wurden in einem iterativen Designprozess weiter untersucht und entwickelt. Um den Partikelverlust zu minimieren, wurden verschiedene Aerosolführungen mit dem Particle Loss Calculator des Max-Planck-Instituts berechnet und iterativ optimiert. Die endgültige Konstruktion wurde hauptsächlich auf der Grundlage des Partikelverlusts ausgewählt, jedoch musste ebenso die Herstellbarkeit berücksichtigt werden. Die Messgeräte befinden sich in einer Box, die an der Anhängerkupplung des Fahrzeugs montiert ist. Zur Messung der Partikelgrößenverteilung und -konzentration wurden ein OPS sowie ein MCPC verwendet. Für die Offline-Analyse werden ein PM 10- sowie ein PM 2.5-Zyklonabscheider, jeweils mit einem Filter in passender Größe, sowie ein 3-stufiger Kaskadenimpaktor verwendet. Zur Validierung wurde einerseits ein Partikelgenerator verwendet, welcher mit Latex- und Salzpartikellösungen betrieben wurde, um die Effizienz des Partikeltransports zu bestimmen. Allerdings hat sich das Thema Transporteffizienz als sehr komplex und stark abhängig von Partikelgröße, Konzentration sowie anderen Faktoren erwiesen, weswegen eine konkrete Aussage zur Effizienz des Systems nur bedingt möglich ist. Zusätzlich wurden mehrere Versuche auf dem Rollenprüfstand durchgeführt. Das System ist in der Lage Partikel effizient zu sammeln und zu transportieren, sowie auf geschlossenen Teststrecken mindestens 45 Minuten pro Test bei einer Geschwindigkeit von bis zu 120 km/h eingesetzt werden kann. Hiermit kann eine Vielzahl an Versuchen durchgeführt werden um die Entstehung und das Verhalten von Reifen- und Straßenabrieb weiter zu untersuchen.