DE102019209793A1 - System for the controlled separation of tire particles - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum kontrollierten Abscheiden von Reifenpartikeln, aufweisend einen Reifen (3), eine Tragstruktur, an der der Reifen (3) drehbar gelagert ist, ein an der Tragstruktur befestigtes Auflademodul (2) zur elektrischen Aufladung von Reifenpartikeln sowie ein an der Tragstruktur befestigtes Niederschlagsmodul (1) zur Aufnahme der geladenen Reifenpartikel, wobei das Auflademodul (2) und das Niederschlagsmodul (1) in Umfangsrichtung zueinander versetzt unmittelbar an dem Reifen (3) angeordnet sind.The invention relates to a system for the controlled separation of tire particles, comprising a tire (3), a support structure on which the tire (3) is rotatably mounted, a charging module (2) fastened to the support structure for the electrical charging of tire particles and an on the Precipitation module (1) attached to the supporting structure for receiving the charged tire particles, the charging module (2) and the precipitation module (1) being arranged offset from one another in the circumferential direction directly on the tire (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum kontrollierten Abscheiden von Reifenpartikeln.The invention relates to a system for the controlled separation of tire particles.

Verbrennungsmotoren und ihre Abgase standen lange Zeit als Verursacher von Feinstaub im Mittelpunkt der öffentlichen Diskussion. Es wird jedoch geschätzt, dass etwa ein Drittel der Partikelemissionen im Straßenverkehr von Bremsen und Reifen stammen, davon etwa die Hälfte von Reifen. Weitere Berechnungen zeigen, dass ein PKW-Reifen am Ende seines im Durchschnitt vierjährigen Lebens circa 1 - 1,5 Kilogramm weniger wiegt, als zu Beginn.Internal combustion engines and their exhaust gases have long been the focus of public discussion as the cause of fine dust. However, it is estimated that around a third of particulate emissions from road traffic come from brakes and tires, of which around half come from tires. Further calculations show that a car tire weighs around 1 - 1.5 kilograms less at the end of its average four-year life than at the beginning.

Grund dafür ist, dass durch die Reibung auf der Straße das Gummi des Reifens sukzessive aufgeraut wird, sodass sich Teile ablösen und auf der Straße sammeln. Bei dem Reifenabrieb handelt es sich neben dem Gummiabrieb zu einem nicht unerheblichen Teil um Mikroplastik, das über den Straßenverkehr hinaus auch ein wesentlicher Faktor für Mikroplastikpartikel in den Meeren ist. Die Begriffe Feinstaub, Abrieb und Reifenpartikel sind im Kontext dieser Beschreibung als gleichbedeutend anzusehen.The reason for this is that the rubber of the tire is gradually roughened by the friction on the road, so that parts peel off and collect on the road. In addition to rubber abrasion, a significant part of tire wear is microplastic, which is also a major factor for microplastic particles in the oceans beyond road traffic. The terms fine dust, abrasion and tire particles are to be regarded as synonymous in the context of this description.

Um dem Problem entgegen zu wirken, sind nicht viele Ansätze bekannt. Da der Abrieb bei Regen von der Straße in die umgebenden Landschichten gespült wird, ist ein Ansatz möglich, bei dem diese regelmäßig mit großen Fahrzeugen geschält werden und das Material anschließend entsorgt wird. Nicht alle Partikel des Reifenabriebs können jedoch von Schälfahrzeugen abgetragen werden. Es kann auch sein, dass die Abriebpartikel weitergetragen werden und im Boden versickern. Um dies zu verhindern, können Auffangsysteme verwendet werden, die den Abrieb bei Regen sammeln. Die bekannten Ansätze sind jedoch höchst zeit-, material- und kostenaufwänd ig.Not many approaches are known to counteract the problem. Since the abrasion is washed off the road into the surrounding land layers when it rains, an approach is possible in which these are regularly peeled with large vehicles and the material is then disposed of. However, not all tire abrasion particles can be removed by peeling vehicles. It is also possible that the abrasion particles are carried on and seep into the ground. To prevent this, collection systems can be used to collect the debris when it rains. However, the known approaches are extremely time-consuming, material-consuming and costly.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Reduzierung des durch Reifen verursachten Feinstaubs aufzuzeigen, die weniger aufwändig ist.It is therefore the object of the invention to provide a way of reducing the fine dust caused by tires which is less complex.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Durch ausdrückliche Bezugnahme werden die Ansprüche an dieser Stelle zum Inhalt der Beschreibung gemacht.The object is achieved by the features of the independent claim. Preferred developments are the subject of the dependent claims. By express reference, the claims are made part of the description at this point.

Erfindungsgemäß weist ein System zum kontrollierten Abscheiden von Reifenpartikeln einen Fahrzeugreifen auf, eine Tragstruktur, an der der Fahrzeugreifen drehbar gelagert ist, ein an der Tragstruktur befestigtes Auflademodul zur elektrischen Aufladung von Reifenpartikeln sowie ein an der Tragstruktur befestigtes Niederschlagsmodul zur Aufnahme der geladenen Reifenpartikel, wobei das Auflademodul und das Niederschlagsmodul in Umfangsrichtung zueinander versetzt unmittelbar an dem Reifen angeordnet sind. Die Module können dabei auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.According to the invention, a system for the controlled separation of tire particles has a vehicle tire, a support structure on which the vehicle tire is rotatably mounted, a charging module attached to the support structure for the electrical charging of tire particles and a precipitation module attached to the support structure for receiving the charged tire particles Charging module and the precipitation module are arranged offset from one another in the circumferential direction directly on the tire. The modules can also be accommodated in a common housing.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass sich eine vorteilhafte Wirkung für die Umwelt ergibt, wenn der durch Reifenabrieb erzeugte Feinstaub nicht erst im Nachhinein, sondern schon während des Fahrbetriebes eines Fahrzeugs behandelt bzw. beseitigt wird. Dabei macht sich die Erfindung die Tatsache zu Nutze, dass durch die Drehung des Reifens eine Fliehkraft entsteht. Diese ist proportional zum Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit des Reifens, daher ist bei schneller Fahrt ein geringeres elektrisches Feld ausreichend, um Partikel mit Hilfe des Niederschlagsmoduls vom Reifen abzutrennen. Durch die kombinierte Kraft des elektrischen Feldes und der drehbedingten Fliehkraft, werden Reifenpartikel gezielt zu einem etwas früheren Zeitpunkt abgetrennt, als dies durch die reine Bodenreibung und / oder Fliehkraft der Fall wäre. Sie können somit im Niederschlagsmodul gesammelt und später entsorgt werden, anstatt dass es zu einer unkontrollierten Verteilung der Partikel in der Umwelt kommt.The invention is based on the basic idea that there is an advantageous effect for the environment if the fine dust generated by tire wear is not treated or removed afterwards, but rather while the vehicle is in motion. The invention makes use of the fact that the rotation of the tire creates a centrifugal force. This is proportional to the square of the circumferential speed of the tire, so when driving fast, a lower electric field is sufficient to separate particles from the tire with the help of the precipitation module. Due to the combined force of the electric field and the centrifugal force caused by rotation, tire particles are specifically separated at a somewhat earlier point in time than would be the case with pure ground friction and / or centrifugal force. They can therefore be collected in the precipitation module and disposed of later, instead of the particles being distributed uncontrollably in the environment.

Es ist bevorzugt, dass das Auflademodul und das Niederschlagsmodul von einer Umlauffläche des Reifens radial beabstandet sind. Auf der Umlauffläche, also dem Teil des Reifens, der in Kontakt mit dem Boden kommt, lösen sich am ehesten Partikel ab. Durch einen geringen Abstand der Module lässt sich gewährleisten, dass einerseits eine zuverlässige elektrische Aufladung und Aufnahme der geladenen Reifenpartikel ermöglicht wird, es andererseits aber nicht zu einem deutlichen Kontakt zwischen Reifen und Modulen kommt.It is preferred that the charging module and the precipitation module are radially spaced from a circumferential surface of the tire. Particles are most likely to detach on the surface of the tire, i.e. the part of the tire that comes into contact with the ground. A small distance between the modules ensures that, on the one hand, reliable electrical charging and absorption of the charged tire particles is made possible, while, on the other hand, there is no significant contact between the tires and the modules.

Es ist bevorzugt, dass das Niederschlagsmodul zumindest eine mit einer elektrischen Spannung beaufschlagte Elektrode umfasst. Statt nur einer Elektrode können mehrere Elektroden eingesetzt werden. Diese sind im einfachsten Fall als ebene Platten, beispielsweise aus Stahlblech, ausgeführt. Durch eine Profilierung können die Platten versteift und andererseits gezielte Totzonen der Strömung erreicht werden, in denen abgeschiedene Partikel nicht so leicht wieder aufgewirbelt werden können. Alternativ kann das Niederschlagsmodul und / oder dessen Elektrode rohrförmig ausgebildet sein.It is preferred that the precipitation module comprises at least one electrode to which an electrical voltage is applied. Several electrodes can be used instead of just one electrode. In the simplest case, these are designed as flat plates, for example made of sheet steel. Profiling allows the plates to be stiffened and, on the other hand, targeted dead zones of the flow can be achieved, in which separated particles cannot easily be whirled up again. Alternatively, the precipitation module and / or its electrode can be tubular.

Sofern das Auflademodul bewirkt, dass die Reifenpartikel negativ geladen werden, sollte die Elektrode als Anode ausgebildet sein, also die positive Seite der eingebrachten elektrischen Spannung bilden. Bei positiv geladenen Reifenpartikeln sollte die Elektrode entsprechend als Katode ausgebildet sein, also die negative Seite der eingebrachten elektrischen Spannung bilden.If the charging module causes the tire particles to be negatively charged, the electrode should be designed as an anode, i.e. it should form the positive side of the electrical voltage introduced. In the case of positively charged tire particles, the electrode should be designed as a cathode be the negative side of the applied electrical voltage.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die elektrische Spannung zwischen der Elektrode und dem Auflademodul bzw. dessen Elektrode an. Vorzugsweise sind diese somit elektrisch miteinander und mit einer Gleichspannungsquelle verbunden.According to a preferred embodiment, the electrical voltage is applied between the electrode and the charging module or its electrode. These are thus preferably electrically connected to one another and to a DC voltage source.

Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass das Niederschlagsmodul in einer zum Umfang des Reifens tangentialen Richtung angeordnet ist. Nach Ablösung vom Reifen wirkt auf ein einzelnes Reifenpartikel keine radiale Kraft mehr, daher behält es seinen momentanen Bewegungszustand bei und fliegt tangential vom Reifen weg. Um die Fliehkraft optimal ausnutzen zu können, ist es daher vorteilhaft, wenn das Niederschlagsmodul in der entsprechenden Richtung angeordnet ist.It corresponds to a preferred embodiment that the precipitation module is arranged in a direction tangential to the circumference of the tire. After detaching from the tire, a single tire particle no longer has any radial force, so it retains its current state of motion and flies away from the tire tangentially. In order to be able to optimally utilize the centrifugal force, it is therefore advantageous if the precipitation module is arranged in the corresponding direction.

Bevorzugt weist das Auflademodul mehrere Sprühelektroden auf, die zur elektrischen Aufladung der Reifenpartikel ausgebildet sind, indem sie Elektronen freisetzen. Die Reifenpartikel besitzen zwar oft eine natürliche Ladung, diese reicht aber bei weitem nicht aus, um die Partikel mit ausreichender Kraft zum Niederschlagsmodul zu beschleunigen. Deshalb werden sie mittels Sprühelektroden stark aufgeladen. Der maßgebliche Mechanismus der Ladungserzeugung ist in diesem Fall die Stoßionisation. Dabei werden die im Gas vorhandenen freien Elektronen im elektrostatischen Feld der Koronahaut in der Umgebung der Sprühelektrode stark beschleunigt (Gasentladung). Beim Auftreffen auf Gasmoleküle werden entweder weitere Elektronen abgespalten oder an die Gasmoleküle angelagert. Im ersten Fall entstehen so neue freie Elektronen und positive Gasionen, im zweiten Fall negative Gasionen. Die Aufladung eines Partikels beginnt mit seinem Eintritt in den vom Sprühstrom durchflossenen Raum und wird verursacht durch die Anlagerung von negativen Ladungen, wenn diese mit dem Partikel zusammenstoßen. Der Aufladevorgang erfolgt durch Feldaufladung bzw. durch Diffusionsaufladung. Bei der Feldaufladung treffen die Gasionen auf Grund ihrer gerichteten Bewegung auf die Reifenpartikel und laden diese soweit auf, bis eine Sättigung eintritt. Für Partikel mit einem Durchmesser unter 0,1 µm verschwindet der Einfluss der Feldaufladung. Die Partikel werden durch von der thermischen Bewegung der Gasmoleküle verursachte Stoßvorgänge aufgeladen.The charging module preferably has a plurality of spray electrodes which are designed to electrically charge the tire particles by releasing electrons. The tire particles often have a natural charge, but this is by no means sufficient to accelerate the particles to the precipitation module with sufficient force. Therefore they are strongly charged by means of spray electrodes. The main mechanism of charge generation in this case is impact ionization. The free electrons present in the gas are strongly accelerated in the electrostatic field of the corona skin in the vicinity of the spray electrode (gas discharge). When they hit gas molecules, further electrons are either split off or attached to the gas molecules. In the first case, new free electrons and positive gas ions are created, in the second case negative gas ions. The charging of a particle begins when it enters the space through which the spray current flows and is caused by the accumulation of negative charges when these collide with the particle. The charging process takes place by field charging or by diffusion charging. During field charging, the gas ions hit the tire particles due to their directional movement and charge them until they are saturated. For particles with a diameter below 0.1 µm, the influence of the field charge disappears. The particles are charged by impact processes caused by the thermal movement of the gas molecules.

Einer bevorzugten Ausführungsform zufolge sind das Auflademodul und das Niederschlagsmodul von einem Radkasten umgeben. Die Module können somit gut geschützt in ein Fahrzeug integriert werden.According to a preferred embodiment, the charging module and the precipitation module are surrounded by a wheel arch. The modules can thus be integrated into a vehicle with good protection.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung.The properties, features and advantages of this invention described above and the manner in which they are achieved will become more clearly and more clearly understood in connection with the following description of an exemplary embodiment in connection with the drawing.

1 zeigt ein stark schematisch dargestelltes System zum kontrollierten Abscheiden von Reifenpartikeln gemäß einem Ausführungsbeispiel. 1 shows a highly schematically represented system for the controlled separation of tire particles according to an embodiment.

Der in 1 dargestellte Reifen 3 bewegt sich entgegen des Uhrzeigersinns auf einer Fahrbahn, wobei die Reibung zwischen Fahrbahn und Reifen 3 bewirkt, dass sich Reifenpartikel sukzessive von der mit Reifenfläche lösen, die mit dem Boden in Kontakt kommt.The in 1 depicted tires 3 moves counterclockwise on a road surface, with the friction between the road surface and tires 3 causes tire particles to gradually detach from the tire surface that comes into contact with the ground.

Um anstelle einer unkontrollierten Ablösung eine kontrollierte Ablösung und Sammlung der Reifenpartikel zu erreichen, weist das System ein Auflademodul 2 und ein Niederschlagsmodul 1 auf. Die Tragstruktur, an der der Fahrzeugreifen drehbar gelagert ist und an dem die Module 1, 2 befestigt sind, ist in der 1 nicht dargestellt.In order to achieve a controlled detachment and collection of the tire particles instead of an uncontrolled detachment, the system has a charging module 2 and a precipitation module 1 on. The support structure on which the vehicle tire is rotatably mounted and on which the modules 1 , 2 are attached is in the 1 not shown.

Bestimmte Reifenpartikel sind durch die Bodenreibung schon so weit vom Reifen 3 gelöst, dass ihre Ablösung kurz bevorsteht. Sie werden durch das Auflademodul 2 aufgeladen. Dieses weist zumindest eine Sprühelektrode auf, die mehrere Stellen mit geringem Krümmungsradius, also Kanten oder Spitzen aufweist. Dort herrschen so hohe elektrische Feldstärken, dass einerseits Elektronen austreten können und andererseits Gasmoleküle durch beschleunigte Elektronen ionisiert werden. Bei dieser Stoßionisation wird eine Elektronenlawine ausgelöst, die im Nahbereich der hohen Feldstärken um die Sprühelektrode eine selbstständige Korona-Entladung bewirkt. Die Ionen lagern sich an den Reifenpartikeln an, die somit negativ aufgeladen werden.Certain tire particles are already so far away from the tire due to ground friction 3 resolved that their replacement is imminent. You will be through the charging module 2 charged. This has at least one spray electrode which has several points with a small radius of curvature, that is to say edges or points. The electric field strengths there are so high that, on the one hand, electrons can escape and, on the other hand, gas molecules are ionized by accelerated electrons. This impact ionization triggers an electron avalanche, which causes an independent corona discharge in the vicinity of the high field strengths around the spray electrode. The ions accumulate on the tire particles, which are thus negatively charged.

Nachdem die Reifenpartikel aufgeladen wurden, lösen sie sich durch die Fliehkraft in Folge der Drehbewegung des Reifens 3 sowie durch die entsprechend des Coulomb'schen Gesetzes wirkende elektrische Kraft von dem Reifen 3 ab und werden von dem Niederschlagsmodul 1 aufgenommen. Sie geben an der Elektrode des Niederschlagsmoduls 1 ihre Ladung ab. Nachdem die Partikel ihre Ladung abgegeben haben, werden sie durch Haftkräfte gebunden, die im Wesentlichen durch die elektrische Feldstärke innerhalb der anhaftenden Partikelschicht bestimmt werden.After the tire particles have been charged, they are released by the centrifugal force as a result of the rotation of the tire 3 and by the electrical force from the tire acting in accordance with Coulomb's law 3 and are controlled by the precipitation module 1 recorded. They give at the electrode of the precipitation module 1 their charge. After the particles have given up their charge, they are bound by adhesive forces that are essentially determined by the electrical field strength within the adhering particle layer.

Das Niederschlagsmodul 1 bewirkt somit, dass zusätzlich zu der drehbedingten Fliehkraft eine zusätzliche Kraft wirkt, die so ausgelegt ist, dass sich ein Reifenpartikel, der noch am Reifen 3 haftet, nicht erst beim nächsten Kontakt mit der Fahrbahn, sondern durch die Wirkung der Elektrode schon vorher ablöst. Um eine dauerhafte Wirksamkeit des Systems zu gewährleisten, kann es notwendig sein, das Niederschlagsmodul 1 von Zeit zu Zeit zu reinigen oder auszutauschen.The precipitation module 1 thus has the effect that in addition to the centrifugal force caused by the rotation, an additional force acts which is designed in such a way that a tire particle that is still on the tire 3 adheres, not just the next time it comes into contact with the road surface, but comes off beforehand due to the action of the electrode. In order to ensure the long-term effectiveness of the system, it may be necessary to change the precipitation module 1 to be cleaned or replaced from time to time.

Der Anteil der Feinstaubbelastung durch Reifenabrieb kann somit erheblich reduziert werden. Neben allen Arten von Landfahrzeugen mit Reifen ist das System beispielsweise auch in Luftfahrzeuge mit Reifen integrierbar. Die beiden Module 1, 2 sowie gegebenenfalls die Spannungsversorgung bzw. weitere Elektronik können dabei auch als bauliche Einheit realisiert werden.The proportion of fine dust pollution caused by tire wear can thus be reduced considerably. In addition to all types of land vehicles with tires, the system can also be integrated, for example, in aircraft with tires. The two modules 1 , 2 and, if necessary, the power supply or other electronics can also be implemented as a structural unit.

Claims (6)

System zum kontrollierten Abscheiden von Reifenpartikeln, aufweisend - einen Reifen (3), - eine Tragstruktur, an der der Reifen (3) drehbar gelagert ist, - ein an der Tragstruktur befestigtes Auflademodul (2) zur elektrischen Aufladung von Reifenpartikeln sowie - ein an der Tragstruktur befestigtes Niederschlagsmodul (1) zur Aufnahme der geladenen Reifenpartikel, wobei das Auflademodul (2) und das Niederschlagsmodul (1) in Umfangsrichtung zueinander versetzt unmittelbar an dem Reifen (3) angeordnet sind.System for the controlled separation of tire particles, having - a tire (3), - A support structure on which the tire (3) is rotatably mounted, - A charging module (2) attached to the supporting structure for the electrical charging of tire particles and - A precipitation module (1) attached to the supporting structure for receiving the charged tire particles, the charging module (2) and the precipitation module (1) being arranged offset from one another in the circumferential direction directly on the tire (3). System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflademodul (2) und das Niederschlagsmodul (1) von einer Umlauffläche des Feifens radial beabstandet sind.System according to Claim 1 , characterized in that the charging module (2) and the precipitation module (1) are radially spaced from a circumferential surface of the tire. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederschlagsmodul (1) zumindest eine mit einer elektrischen Spannung beaufschlagte Elektrode umfasst.System according to one of the preceding claims, characterized in that the precipitation module (1) comprises at least one electrode to which an electrical voltage is applied. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederschlagsmodul (1) in einer zum Umfang des Reifens (3) tangentialen Richtung angeordnet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the precipitation module (1) is arranged in a direction tangential to the circumference of the tire (3). System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflademodul (2) mehrere Sprühelektroden aufweist, die zur elektrischen Aufladung der Reifenpartikel dazu ausgebildet sind, Elektronen freizusetzen.System according to one of the preceding claims, characterized in that the charging module (2) has a plurality of spray electrodes which are designed to electrically charge the tire particles and to release electrons. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Auflademodul (2) und das Niederschlagsmodul (1) von einem Radkasten umgeben sind.System according to one of the preceding claims, characterized in that the charging module (2) and the precipitation module (1) are surrounded by a wheel arch.
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