DE102020105583A1

DE102020105583A1 - Verfahren zur Reduzierung der Feinstaubbelastung während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs sowie Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102020105583A1
Application number: DE102020105583.8A
Authority: DE
Inventors: Richard Pickl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-09-09
Also published as: WO2021175598A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Feinstaubbelastung während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens, wobei das Kraftfahrzeug eine Wasserdampf als Abgas erzeugende Brennstoffzelle als Antriebsaggregat aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der beim Betrieb der Brennstoffzelle erzeugte Wasserdampf (16) zur Bindung von Feinstaub verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Feinstaubbelastung während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Anspruch 9.
Feinstaub besteht aus zahllosen festen und flüssigen Partikeln in der Luft: Ruß, Reifen- und Bremsabrieb, Pollen, Sandkörnchen, Glasstaub etc. Je kleiner die Partikel, desto tiefer können die Teilchen in die Lunge und in den Blutkreislauf eindringen. Laut Umweltbundesamt sterben jährlich rund 40.000 Menschen an den Folgen. Feinstaub gilt unter anderem als krebserregend.
Der Straßenverkehr verursacht rund 20 Prozent der Feinstaub-Emissionen. Wie neueste Messresultate der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, LUBW, zeigen, sind nicht die Abgase der Antriebsaggregate der Kraftfahrzeuge Hauptverursacher für die Feinstaub-Emissionen im Straßenverkehr. Stattdessen hat die LUBW Aufwirbelungen und Abriebprozesse ausgemacht, die eine wesentliche Rolle spielen. Den Messungen zufolge entsteht der verkehrsbedingte Feinstaub der Partikelgrö-ße PM10 (bis zehn Mikrometer Durchmesser) zu rund 85 Prozent durch Reifen-, Bremsen- und Straßenabrieb sowie durch die Aufwirbelung der Staubschicht auf den Fahrbahnen.
Aus der DE 10 2005 020 018 A1 ist ein Verfahren und ein Gerät zur Aufnahme von Feinstaub von Verkehrsflächen bekannt. Die Aufnahme des Feinstaubbelages mit Hilfe einer intensiven Absaugung unter Verwendung von Reinigungsbürsten wird durch Einsatz von Wasserdampf, Spülflüssigkeit, Pressluft, Ultraschall entscheidend verbessert. Die Abtrennung des Feststoffes sowie der eingesetzten Reinigungsfluide von der abgesaugten Trägerluft erfolgt bevorzugt in Zyklonabscheidern mit nachgeschalteter Feinstaubabscheidung. Die in der Reinigungsflüssigkeit enthaltenen Feinstäube werden mit Hilfe von Hydrozyklonen oder mittels Filtration abgetrennt, sodass die Reinigungsflüssigkeit rezirkuliert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben, mittels dem ein durch die Fahrt eines Kraftfahrzeugs bedingter Feinstaubeintrag in die Luft reduziert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche 2 bis 8 bilden vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß dem Verfahren zur Reduzierung der Feinstaubbelastung während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs weist das Kraftfahrzeug eine Wasserdampf als Abgas erzeugende Brennstoffzelle als Antriebsaggregat auf. Erfindungsgemäß wird der beim Betrieb der Brennstoffzelle erzeugte Wasserdampf zur Bindung von Feinstaub verwendet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist nunmehr in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass der Feinstaub durch „Verkleben“ mit dem Wasserdampf ausgefällt wird, bzw. mit anderen Worten, dass die Feinstaubpartikel durch den Wasserdampfeintrag gebunden und zu „Grobstaub“ gewandelt werden, mit dem Effekt, dass ein Aufwirbeln der Feinstaubartikel deutlich erschwert und damit die Feinstaubkonzentration in der Luft deutlich reduziert wird.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass in Fahrtrichtung FR des Kraftfahrzeugs betrachtet, der Wasserdampf hinter den Rädern des Kraftfahrzeugs, auf die Straßenoberfläche gerichtet, ausgeblasen wird. Aufgrund der Rollbewegung der Reifen und der dadurch bedingten nach oben gerichteten Luftströmung, ist der in Fahrtrichtung FR des Kraftfahrzeugs betrachtet unmittelbar hinter den Reifen befindliche Bereich als besonders kritisch in Bezug auf potentiell in die Luft aufzuwirbelnde Partikel, wie Reifen-, Bremsen- und Straßenabrieb sowie auf der Fahrbahn befindlichen Staubpartikeln, anzusehen, sodass eine Ausblasung von Wasserdampf in diesen Bereich besonders effektiv der Aufwirbelung und damit dem Feinstaubeintrag in die Luft entgegenwirkt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Wasserdampf gezielt im Bereich der Bremsscheiben ausgeblasen wird. Die gezielte Ausblasung im Bereich der Bremsscheiben hat den Effekt, dass der beim Bremsen entstehende Bremsabrieb nunmehr nahezu vollständig gebunden bzw. ausgefällt wird, sodass der Einfluss der Reibbremse als potentielle Feinstaubquelle deutlich minimiert wird.
Um ein unnötiges Ausblasen von Wasserdampf zu vermeiden und damit den Verbrauch von Wasserdampf möglichst gering zu halten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Ausblasen des Wasserdampfs im Bereich der Bremsscheiben lediglich nach einer vorherigen Aktivierung einer Reibbremsvorrichtung des Kraftfahrzeugs erfolgt.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Wasserdampf in eine Richtung gezielt ausgeblasen wird, wobei die Richtung des auszublasenden Wasserdampfes geschwindigkeitsabhängig eingestellt bzw. gesteuert wird. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass unter Berücksichtigung der aktuellen, d.h. geschwindigkeitsabhängigen Strömungsbedingungen am Unterboden des Kraftfahrzeugs Hauptverwirbelungsgebiete und damit Bereiche, in denen eine starke Aufwirbelung von Feinstaubpartikel zu erwarten ist, gezielt beaufschlagbar sind, mit dem Effekt, dass eine besonders effektive Maßnahme zur Reduzierung von Feinstaubpartikel in der Luft zur Verfügung gestellt ist.
Vorzugsweise werden dabei die Hauptverwirbelungsgebiete durch Windkanalversuche für verschieden Geschwindigkeiten ermittelt und hinterlegt.
Denkbar ist aber auch, dass während der Fahrt des Kraftfahrzeugs die Strömungsbedingen am Unterboden aktuell gemessen bzw. erfasst werden und dass anhand der gemessen bzw. erfassten Strömungsbedingungen Hauptverwirbelungsgebiete identifiziert werden.
Zur Gewährleistung einer ausreichenden Führung des auszublasenden Wasserdampfes, wird der Wasserdampf mittels im Bereich hinter den Rädern und/oder im Bereich der Reibbremse bzw. Bremsscheiben im Unterboden des Kraftfahrzeugs angeordneter Ausblasdüsen ausgeblasen. Je nach Bedarf können die Düsen dabei unterschiedlich ausgebildet sein, um z.B. im Bereich hinter den Reifen ein möglichst breitbandiges Gebiet abzudecken oder eher punktförmig, um im Bereich der Bremsscheibe eine gezielte Beaufschlagung zu ermöglichen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Ausblasen von Wasserdampf in Abhängigkeit von die aktuellen Umgebungsbedingungen beschreibenden Daten, wie Außentemperatur, Luftdruck, Luftfeuchte, geregelt/gesteuert wird. Das hat den Effekt, dass ein die aktuelle Umgebungsbedingung berücksichtigender Volumenstrom ausgeblasen wird. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass z.B. bei Temperaturen unter 0°C - zur Vermeidung einer Glatteisbildung - der Volumenstrom auf 0, d.h. es wird kein Wasserdampf ausgeblasen, geregelt/gesteuert wird. Denkbar ist aber auch, dass bei - in Bezug auf die Feinstaubbelastung in der Luft - kritischen Wetterlagen, wie Inversionswetterlage, d.h. hoher Luftdruck, ein erhöhter Volumenstrom zur Ausblasung zur Verfügung gestellt wird, oder auch, dass bei einer nassen Kraftfahrzeugumgebung lediglich ein geringer Volumenstrom ausgeblasen wird.
Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens zur Reduzierung der Feinstaubbelastung während der Fahrt des Kraftfahrzeugs gemäß der im Patentanspruch 9 angegebenen Art anzugeben.
Der Unteransprüche 10 und 11 stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Hierzu umfasst das Kraftfahrzeug als Antriebsaggregat eine Brennstoffzelle, die als Abgas Wasserdampf erzeugt.
Erfindungsgemäß umfasst das Kraftfahrzeug zudem ein Rohrsystem, welches den beim Betrieb der Brennstoffzelle erzeugten Wasserdampf zu den Ausblasdüsen leitet.
Hierdurch ist in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass der beim Betrieb der Brennstoffzelle anfallende Wasserdampf zur Bindung von Feinstaub nutzbar ist, was sich positiv auf die Feinstaubkonzentration in der Luft auswirkt.
Um die Abgabe des Wasserdampfes bzw. den Volumenstrom des auszublasenden Wasserdampfes an aktuelle Umgebungs- bzw. Umweltbedingungen anzupassen, umfasst das Kraftfahrzeug ferner eine Regel-/Steuereinheit, der als Eingangsgröße die die Umgebungsbedingungen beschreibenden Daten, insbesondere Außentemperatur, Luftfeuchte und Luftdichte zur Verfügung gestellt werden und die eingerichtet ist, über Mittel den über die Ausblasdüsen auszublasenden Volumenstrom zu regeln/steuern.
Eine konstruktive einfache und daher besonders bevorzugte Ausführungsform sieht dabei vor, dass die Mittel als mindestens eine schwenkbeweglich gelagerte, im Volumenstrom angeordnete Klappe, sowie mindestens einen mit der Klappe in Wirkverbindung stehenden, über die Regel-/Steuereinheit ansteuerbaren Aktuator ausgebildet sind.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
In der Zeichnung bedeutet:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs zur Verdeutlichung des Verfahrens zur Reduzierung der Feinstaubbelastung während der Fahrt.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes Kraftfahrzeug. Die Reifen des Kraftfahrzeugs 10 sind mit dem Bezugszeichen 12 und die Fahrtrichtung ist mit dem Bezugszeichen FR bezeichnet.
Das Kraftfahrzeug 10 weist als Antriebsaggregat eine Brennstoffzelle auf, die als Abgas Wasserdampf erzeugt.
Wie schematisch dargestellt, weist das Kraftfahrzeug 10 ferner in Fahrtrichtung FR betrachtet jeweils hinter den Rädern 12 angeordnete Ausblasdüsen 14 auf. Die Ausblasdüsen 14 sind über ein - hier nicht sichtbares - Rohrsystem mit dem Abgasstrang der Brennstoffzelle verbunden. D.h. über das Rohrsystem und die Ausblasdüsen 14 wird der von der Brennstoffzelle beim Betrieb erzeugte Wasserdampf im Bereich hinter den Rädern 12 ausgeblasen. Der aus den Ausblasdüsen 14 ausgeblasene Wasserdampf ist in 1 durch Pfeile 16 symbolisch dargestellt.
Wie in 1 schematisch angedeutet, sind die Ausblasdüsen 14 dabei so ausgerichtet und ausgebildet, dass ein breitbandiger, nach unten auf die Fahrbahnoberfläche gerichteter Volumenstrom ausgeblasen wird.
Dies hat den Effekt, dass die aus Reifen-, Bremsen- und Straßenabrieb sowie auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Partikel, nach Kontakt mit dem Wasserdampf verkleben und ausgefällt werden, sodass einer Aufwirbelung dieser Partikel in die Luft entgegengewirkt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, sind entsprechende Ausblasdüsen auch jeweils im Bereich der den Rädern 12 zugeordneten Reibbremsen angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet, dass der beim Bremsen entstehende Bremsabrieb gezielt und unmittelbar durch den in diesem Bereich ausgeblasenen Wasserdampf gebunden bzw. ausgefällt wird, was zu einer deutlichen Reduzierung des Feinstaubeintrags in der Luft beiträgt.
Vorzugsweise weist das Kraftfahrzeug 10 im Bereich des Unterbodens - hier nicht dargestellte - weitere geschwindigkeitsabhängig ansteuerbare bzw. ausrichtbare Ausblasdüsen auf. Über diese Ausblasdüsen können Hauptverwirbelungsgebiete und damit Bereiche in denen eine starke Aufwirbelung von Feinstaubpartikel zu erwarten ist, gezielt beaufschlagt werden.
Zudem umfasst das Kraftfahrzeug eine Regel-/Steuereinheit, der als Eingangsgröße insbesondere Außentemperatur, Luftfeuchte und Luftdichte zur Verfügung gestellt werden und die eingerichtet ist, über einen Aktuator mindestens eine im Rohrsystem schwenkbeweglich gelagerte Klappe zu steuern/regeln. Hierdurch ist auf eine einfache Art und Weise ermöglicht, dass das Ausblasen von Wasserdampf auf aktuell herrschende Umgebungsbedingungen abgestimmt werden kann. Wie z.B. ein Verzicht eines Ausblasens von Wasserdampf bei Temperaturen unter 0°, um einer potentiellen Glatteisbildung entgegen zu wirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005020018 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Feinstaubbelastung während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs (10), wobei das Kraftfahrzeug eine Wasserdampf als Abgas erzeugende Brennstoffzelle als Antriebsaggregat aufweist, wobei der beim Betrieb der Brennstoffzelle erzeugte Wasserdampf (16) zur Bindung von Feinstaub verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Fahrtrichtung (FR) des Kraftfahrzeugs betrachtet, der Wasserdampf (16) hinter den Rädern (12) des Kraftfahrzeugs (10), auf die Straßenoberfläche gerichtet, ausgeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf (16) im Bereich der Bremsscheiben ausgeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausblasen des Wasserdampfs (16) im Bereich der Bremsscheiben lediglich nach einer vorherigen Aktivierung einer Reibbremsvorrichtung des Kraftfahrzeugs (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannte Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf in eine Richtung gerichtet ausgeblasen wird, wobei die Richtung des auszublasenden Wasserdampfes geschwindigkeitsabhängig eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf (16) mittels im Bereich hinter den Rädern (12) und/oder im Bereich der Bremsscheiben und/oder im Unterboden des Kraftfahrzeugs angeordneten Ausblasdüsen (14) ausgeblasen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausblasen von Wasserdampf (16) in Abhängigkeit von aktuellen Umgebungsbedingungen geregelt/gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als die Umgebungsbedingungen beschreibenden Daten Außentemperatur, Luftfeuchte und/oder Luftdruck verwendet werden, und die Daten mittels eines Außentemperatursensors, Regensensors erfasst werden und/oder durch Auslesen aus digitalen Wetterdaten unter Hinzunahme eines Positionssignals ermittelt werden.
Kraftfahrzeug (10) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, wobei das Kraftfahrzeug (10) eine Wasserdampf als Abgas erzeugende Brennstoffzelle als Antriebsaggregat aufweist, gekennzeichnet durch ein Rohrsystem, welches den beim Betrieb der Brennstoffzelle erzeugten Wasserdampf zu den Ausblasdüsen (14) leitet.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (10) ferner eine Regel-/Steuereinheit aufweist, der als Eingangsgröße die die Umgebungsbedingungen beschreibenden Daten zur Verfügung gestellt werden und die eingerichtet ist, über Mittel den über die Ausblasdüsen (14) auszublasenden Volumenstrom zu regeln/steuern.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als mindestens eine im Rohrsystem schwenkbeweglich gelagerte Klappe, sowie mindestens einen mit der Klappe in Wirkverbindung stehenden, über die Regel-/Steuereinheit ansteuerbaren Aktuator ausgebildet sind.