DE102017200941A1

DE102017200941A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Bremspartikelemissionen

Info

Publication number: DE102017200941A1
Application number: DE102017200941.1A
Authority: DE
Inventors: Marcel MATHISSEN; Volker Scheer; Ferdinand Heinrich Farwick zum Hagen; Tomasz Pawel Grabiec; Tim Hennicke
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-21
Also published as: DE102017200941B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Bremspartikelemissionen in einem Fahrzeug unter Fahrbedingungen, wobei die Vorrichtung eine Staubabsaugvorrichtung und ein Staubmessgerät (8) umfasst. Gemäß der Erfindung enthält die Staubabsaugvorrichtung einen Staubsammeltrichter (1), der sich von einer weiten Einlassöffnung (2), die entlang ihres Umfangs drehfest mit dem Außenring einer Felge (3) des Fahrzeugs verbunden ist, in Richtung der Felgenachse zu einer engen Auslassöffnung (4) verengt.

Description

Das zu dieser Anmeldung führende Projekt erhielt Geldmittel aus dem „European Union's Horizon 2020 research and innovation programme“ unter Fördervertrag Nr. 636592.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Bremspartikelemissionen eines Fahrzeug unter Fahrbedingungen, sei es auf einem Prüfstand oder bei Fahrten auf Teststrecken oder öffentlichen Straßen, wobei die Vorrichtung eine Staubabsaugvorrichtung und mindestens ein Staubmessgerät umfasst, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Verkehrsbezogene Partikelemissionen, die nicht aus Abgasen, sondern aus Abrieb von Bremsen, Reifen, Kupplungen, Straßenbelag usw. sowie aus Wiederaufwirbelung von Straßenstaub resultieren, tragen zur Luftverschmutzungen bei. Erwartungsgemäß werden Abgas-Partikelemissionen aufgrund strenger Grenzwerte abnehmen, doch werden die anderen verkehrsbezogenen Partikelemissionen aufgrund größeren Verkehrsvolumens zunehmen.
Um speziell Bremsstaubemissionen vermindern zu können, sollten die emittierten Bremspartikel unter realen Fahrbedingungen gesammelt und idealerweise zeitgleich (in-situ) analysiert werden können.
Die gattungsbildende DE 10 329 961 A1 offenbart eine integrierte Feinstaubabsaugvorrichtung für Fahrzeuge, mit der Feinstäube während der Fahrt aus der Umgebungsluft ausgefiltert und für wissenschaftliche Untersuchungen gesammelt werden können und die auch während des Einsammelns mit einem Aerosolspektrometer als Staubmessgerät analysiert werden können, wobei die gemessenen Daten per Funk weitergeleitet werden können. Die ausgefilterten Feinstäube enthalten aber nicht nur Bremsbelagabrieb, sondern alle möglichen Stäube und auch solche, die von anderen Fahrzeugen emittiert werden.
Man könnte erwägen, bremsstaubhaltige Luft direkt an den Bremsen abzusaugen, z. B. mittels eines an einem Bremssattel angebrachten Bremsstaubsammlers, wie in der DE 10 2006 051 972 A1 bzw. der parallelen US 8 701 844 B2 oder in der DE 10 2010 053 879 A1 bzw. der parallelen US 2014 0076773 A1 offenbart, und dann zu analysieren, doch hat es sich gezeigt, dass die Bremsstäube damit unvollständig eingesammelt werden, wobei die Sammeleffizienz überdies von der speziellen Anordnung des Bremsstaubsammlers und von der Partikelgröße abhängig ist. Außerdem wäre es konstruktiv schwierig, einen derartigen Bremsstaubsammler mit einem Staubmessgerät im Fahrzeug zu verbinden.
Die DE 20 2007 000 246 U1 offenbart einen Bremsstaubsammler, bei dem ein Lüfter einen axialen Luftstrom durch die Felge generiert, der entstehenden Bremsstaub zu einem Filterelement transportiert. Die Lüfterschaufeln können durch Felgenspeichen gebildet sein, ggf. unterstützt durch eine auf der Reinseite eines Filterelements angeordnete Saugpumpe. Der axiale Luftstrom dürfte im Wesentlichen allen von der Bremse dieses Rades emittierten Bremsstaub enthalten, solange die langgestreckte Dichtung zum Felgenring hin dicht hält, enthält aber tendenziell aber auch andere Stäube, da die Luft von einer Außenseite des Fahrzeugs angesaugt wird. Außerdem offenbart diese Druckschrift nicht, wie die staubbelastete Luft vollständig oder zumindest unselektiv zu einem Staubmessgerät im Fahrzeug geleitet werden könnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bremspartikelemissionen der Bremsen eines Fahrzeugs mit hoher Reproduzierbarkeit unter Fahrbedingungen messen zu können, und zwar mit wenig Aufwand an einem beliebigen Fahrzeug, ob mit oder ohne irgendwelche bekannten Bremsstaubsammler, um die im realen Fahrbetrieb auftretenden Bremspartikelemissionen des Fahrzeugs mit hoher zeitlicher Auflösung und hoher Effizienz messen und auch die Wirksamkeit von schon im Fahrzeug eingebauten Bremsstaubsammlern oder irgendwelchen anderen Maßnahmen zur Verminderung von Bremspartikelemissionen überprüfen zu können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung enthält die Staubabsaugvorrichtung einen Staubsammeltrichter, der sich von einer weiten Einlassöffnung mit einem dem Außenring einer Felge entsprechenden Durchmesser, die entlang ihres Umfangs drehfest mit dem Außenring verbunden ist, in Richtung der Felgenachse zu einer engen Auslassöffnung verengt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, über die Auslassöffnung Luft axial durch die Felge zu saugen, wobei die Luft allen von der darin befindlichen Bremse emittierten Bremsstaub enthält, unabhängig von der Partikelgröße. Daher können objektive und reproduzierbare Messungen erhalten werden. Die Messbedingungen sind konstant, und wenn die Vorrichtung an verschiedenen Fahrzeugen montiert wird, sind die Messergebnisse miteinander vergleichbar, auch zwischen unterschiedlichen Bremssystemen und Radhaus-Designs.
Der Staubsammeltrichter kann auf einfache Weise als ein rotationssymmetrisches Bauteil hergestellt werden, das axial mit der Felge verbunden wird, z. B. mittels Schraubverbindungen oder Magnetkupplungen, die z. B. entlang eines Felgenhorns verteilt sein können. Bei Schraub- oder Magnetbefestigung wird typischerweise für jeden zu untersuchenden Fahrzeugtyp eine eigene Felge benötigt, die anstelle einer vorhandenen Felge an dem Fahrzeug montiert wird und an der der Staubsammeltrichter befestigt wird. Doch ist auch ein Staubsammeltrichter denkbar, der an einer vorhandenen Felge eines Fahrzeugs anbringbar ist, z. B. mittels Befestigungselementen, die irgendwelche Teile der Felge wie z. B. den Radkranz oder das Felgenhorn hintergreifen.
Wegen der drehfesten Anbringung des Staubsammeltrichters kann dieser leicht luftdicht mit dem Außenring der Felge verbunden werden. Die wegen der Raddrehung notwendige Dichtung wird bei der Erfindung nicht am Außenring der Felge vorgesehen, wie in der o. g. DE 20 2007 000 246 U1 , sondern im Bereich der engen Auslassöffnung, wo sie viel einfacher und verschleißfester zu realisieren ist. Vorzugsweise wird die Dichtung in ein Drehgelenk integriert, das den Staubsammeltrichter rotatorisch von einer Absaugleitung entkoppelt und über das die Auslassöffnung des Staubsammeltrichters mit einer Absaugleitung in Strömungsverbindung steht, die zu dem Staubmessgerät sowie zu einer Saugpumpe führt.
Bei der Erfindung stehen der Staubsammeltrichter und das Drehgelenk zwar von der Felge nach außen vor, z. B. bei einem Automobil links und rechts über die Felgen hinaus, doch stört dies bei Fahrten auf einem Prüfstand oder auf Teststrecken nicht, und Fahrten auf öffentlichen Straßen werden z. B. mit entsprechend verbreiterten Kotflügeln möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist stromabwärts eines Abzweigs zu dem Staubmessgerät und stromaufwärts der Saugpumpe ein Strömungsbegrenzer oder ein Strömungssteuergerät in der Absaugleitung angeordnet, womit der von der Saugpumpe erzeugte Unterdruck in der Absaugleitung geregelt werden kann. Dies ermöglicht es, die Luftströmung durch die Felge im Wesentlichen unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit konstant zu halten oder auch geschwindigkeitsabhängig anzupassen, was eine Quantifizierung der Bremspartikelemissionen bei wechselnden Fahrzeuggeschwindigkeiten ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Staubsammeltrichter zweiteilig ausgeführt, nämlich mit einem Innentrichter mit einer partikelabweisend und in Axialrichtung besonders strömungsgünstig ausgebildeten Innenfläche und einem den Innentrichter radial umgebenden Außentrichter, der nach anderen Anforderungen gestaltet werden kann, in erster Linie als stabile mechanische Verbindung zwischen der Felge und dem Drehgelenk.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Strömungsabschirmplatte, die dafür eingerichtet ist, einen nicht von einem Bremssattel eingenommenen Sektor der Felge strömungsmäßig von dem Staubsammeltrichter abzuschirmen. Eine derartige Strömungsabschirmplatte kann z. B. innen an einem Felgenkranz der Felge oder an einem darin angeordneten Bremssattel montiert sein und ermöglicht es, die Staubabsaugung noch selektiver auf den Bereich des Bremssattels zu beschränken und zu vermeiden, das mit irgendwelchen anderen Stäuben belastete Luft zum Staubmessgerät gelangt. Außerdem minimiert die Strömungsabschirmplatte Rückströmungen von Luft, die den Bremssattel passiert hat, zum Fahrzeugunterboden. Die Strömungsabschirmplatte kann dabei ein vorhandenes Bremsscheibenschutzblech (engl. dust shield) ersetzen oder sie kann zusätzlich zu einem Bremsscheibenschutzblech verbaut werden. Bremsscheibenschutzbleche können in Fahrzeugen verbaut werden, um die Bremse vor äußeren Einflüssen zu schützen und Ablagerungen von Bremsstaub auf Felgen zu reduzieren oder zu vermeiden. Allerdings sind übliche Bremsscheibenschutzbleche nicht für die Absaugung von außen optimiert und es gibt z.B. Rückströmungen der Luft.
Die Erfindung ermöglicht es, mit einem zu prüfenden Fahrzeug Messfahrten unter realitätsnahen oder realitätsgetreuen Bedingungen durchzuführen, indem eine oder mehrere Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorübergehend an dem Fahrzeug montiert werden und damit Messfahrten auf einem Prüfstand oder im Freien durchgeführt werden, wobei die Konzentration und/oder Partikelgrößenverteilung der Bremspartikelemissionen gemessen wird.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

1 schematisch links in einer partiellen Draufsicht und rechts in einer Ansicht von vorne eine Vorrichtung zur Messung von Bremspartikelemissionen;
2 perspektivisch eine Felge mit einem Staubsammeltrichter, wie aus der Richtung eines Fahrzeugunterboden gesehen;
3 perspektivisch eine Felge mit einem Staubsammeltrichter, wie von einer Position rechts von einem Fahrzeug her gesehen;
4 eine Explosions-Perspektivansicht der Felge von 2 und 3;
5 links einen partiellen Längsschnitt und rechts eine axiale Innenansicht der Vorrichtung in einer Variante; und
6 links einen partiellen Längsschnitt und rechts eine axiale Innenansicht noch einer Variante der Vorrichtung.

Wie in 1 veranschaulicht, enthält eine Vorrichtung zur Messung von Bremspartikelemissionen in einem Fahrzeug unter Fahrbedingungen einen Staubsammeltrichter 1, der sich von einer weiten Einlassöffnung 2, die entlang ihres Umfangs drehfest mit dem Außenring einer Felge 3 des Fahrzeugs verbunden ist, in Richtung der Felgenachse seitlich vom Fahrzeug weg zu einer engen Auslassöffnung 4 verengt. Die Auslassöffnung 4 steht über ein Drehgelenk 5 mit einer Absaugleitung 6 in Strömungsverbindung. Ein Abzweig 7 der Absaugleitung 6 führt zu mindestens einem Staubmessgerät 8 zur Messung von Konzentration und/oder Partikelgrößenverteilung in den Bremspartikelemissionen. In ihren weiteren Verlauf führt die Absaugleitung 6 zu einer Saugpumpe 10, wobei zwischen dem Abzweig 7 und der Saugpumpe 10 eine Strömungsbegrenzungsblende oder ein Strömungssteuergerät 9 in die Absaugleitung 6 eingebaut ist.
Die in 1 gezeigte Anordnung ist für einen Prüfstand geeignet; für Fahrten im Freien würde sich die Absaugleitung 4 zum Fahrzeug hin krümmen und mit den im Fahrzeuginneren angeordneten Bestandteilen 6 bis 10 verbinden.
Unter Bezugnahme auch auf 2 bis 4 ist der Staubsammeltrichter 1 mit einem Einlassflansch 11, der die weite Einlassöffnung 2 umgrenzt, axialsymmetrisch an den fahrzeugaußenseitigen Außenring der Felge 3 geschraubt, wobei der Einlassflansch 11 luftdicht am Felgenhorn anliegt. Von dem Einlassflansch 11 aus verjüngt sich der Staubsammeltrichter 1 konisch zu einem Auslassflansch 12, der die enge Auslassöffnung 4 umgrenzt. Axial außen an den Auslassflansch 12 ist ein Drehgelenk 5 angeschraubt, das einen Drehzapfen 13 mit einer in Radialrichtung weisenden Öffnung 14 zur Verbindung mit der Absaugleitung 6 aufweist. Das Drehgelenk 5 ist hohl, so dass Luft aus dem Inneren der Felge 3 in die Absaugleitung 6 strömt, wenn die Saugpumpe 10 arbeitet.
Wie in 5 und 6 zu erkennen ist, kann der Staubsammeltrichter 1 zweiteilig ausgeführt sein, nämlich als ein konischer Außentrichter 1a zur mechanischen Verbindung zwischen der Felge 3 und dem Drehgelenk 5 mit einem darin eingebauten flacheren konischen Innentrichter 1b (5) oder einem besonders strömungsgünstig ausgebildeten Innentrichter 1c (6), die jeweils eine besonders glatte und partikelabweisende Innenfläche haben.
Wie aus 2 und 4 bis 6 ersichtlich, ist auf der Innenseite eines Felgenkranzes 15 der Felge 3 und axial außen von einer nicht gezeigten Bremsscheibe eine Strömungsabschirmplatte 16 angebracht, sich im Wesentlichen über einen Sektor der Felge 3 erstreckt, der nicht von einem Bremssattel eingenommen wird. Somit schirmt die Strömungsabschirmplatte 16 den nicht von dem Bremssattel eingenommenen Sektor der Felge 3 strömungsmäßig von dem Staubsammeltrichter 1 ab und beschränkt die Staubabsaugung auf den Winkelbereich des Bremssattels. Statt an der Felge 3 könnte die Strömungsabschirmplatte 16 z. B. auch an zwei radialen Enden des Bremssattels montiert sein und sich zwischen diesen beiden Enden entlang des Umfangs der zugehörigen Bremsscheibe sowie radial darüber hinaus bis knapp an den Außenring der Felge 3 erstrecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10329961 A1 [0005]
DE 102006051972 A1 [0006]
US 8701844 B2 [0006]
DE 102010053879 A1 [0006]
US 20140076773 A1 [0006]
DE 202007000246 U1 [0007, 0014]

Claims

Vorrichtung zur Messung von Bremspartikelemissionen in einem Fahrzeug unter Fahrbedingungen, wobei die Vorrichtung eine Staubabsaugvorrichtung und ein Staubmessgerät (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Staubabsaugvorrichtung einen Staubsammeltrichter (1) enthält, der sich von einer weiten Einlassöffnung (2), die entlang ihres Umfangs drehfest mit dem Außenring einer Felge (3) des Fahrzeugs verbunden ist, in Richtung der Felgenachse zu einer engen Auslassöffnung (4) verengt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Staubsammeltrichter (1) rotationssymmetrisch mit der Felge (3) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (2) des Staubsammeltrichters (1) luftdicht mit dem Außenring der Felge (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (4) des Staubsammeltrichters (1) über ein Drehgelenk (5) mit einer Absaugleitung (6) in Strömungsverbindung steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (6) zu dem Staubmessgerät (8) und zu einer Saugpumpe (10) führt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts eines Abzweigs (7) zu dem Staubmessgerät (8) und stromaufwärts der Saugpumpe (10) ein Strömungsbegrenzer oder ein Strömungssteuergerät (9) in der Absaugleitung (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Staubsammeltrichter (1) einen Innentrichter (1a) mit einer partikelabweisend und in Axialrichtung strömungsgünstig ausgebildeten Innenfläche und einen den Innentrichter radial umgebenden Außentrichter (1b, 1c) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Strömungsabschirmplatte (16) umfasst, die dafür eingerichtet ist, einen nicht von einem Bremssattel eingenommenen Sektor der Felge (3) strömungsmäßig von dem Staubsammeltrichter (1) abzuschirmen.
Verfahren zur Messung von Bremspartikelemissionen in einem Fahrzeug unter Fahrbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass wobei eine oder mehrere Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorübergehend an dem Fahrzeug montiert werden und damit Messfahrten durchgeführt werden, wobei die Konzentration und/oder Partikelgrößenverteilung in den Bremspartikelemissionen gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer oder mehreren der folgenden Situationen durchgeführt wird: auf einem Prüfstand, auf einer Teststrecke, im öffentlichen Straßenverkehr.