Beitrag zur analytischen und experimentellen Untersuchung des Reifen-Fahrbahnkontaktes in Bezug auf partikelförmige Emissionen

Im Zuge eines ständig wachsenden Umweltbewusstseins werden anthropogene Schadstoffemissionen zunehmend kritisch begutachtet. Dies betrifft insbesondere auch Emissionen, die mit dem Individualverkehr in Verbindung stehen. In der Vergangenheit hat besonders das Schädigungspotential von Abgasemissionen einen hohen Bekanntheitsgrad erlangt. Infolge der gesetzlichen Festlegung von Abgasgrenzwerten und den daraus resultierenden technischen Abhilfemaßnahmen, konnte die Schadstoffbelastung der Außenluft, trotz erheblich gestiegenem Fahrzeugaufkommen, deutlich reduziert werden. Abgasferne Feinstaubemissionen, die durch den Abrieb von Bremsen, Reifen und der Fahrbahn erzeugt werden, unterliegen hingegen keiner Regulierung. Es wird jedoch angenommen, dass diese bereits die größte fahrzeugbezogene Feinstaubquelle darstellen. Hieraus folgen Regulierungsbestrebungen, die in Bezug auf Bremsstaubemissionen bereits ein fortgeschrittenes Stadium erreicht haben. Die Regulierung von Reifenemissionen wird, aufgrund der Vielzahl der Einflussgrößen, gegenwärtig als zu komplex eingestuft. Im Zuge der Elektrifizierung des Antriebstranges ist damit zu rechnen, dass Abgas- und Bremsstaubemissionen an Bedeutung verlieren werden. Folglich könnte der Reifen als letzte fahrzeugbezogene Schadstoffquelle verbleiben. Der Reifenabrieb gilt zudem als insgesamt größte Mikroplastikquelle. Aufgrund dieser Vorrausetzungen ist mit einem erheblichen medialen und politischen Druck zu rechnen, der in Richtung einer Regulierung abzielt.

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Identifikation und Beschreibung von Einflussgrößen, die mit dem Emissionsprozess von Reifenpartikeln in Verbindung stehen. Dies umfasst die Entstehung und Messung von Reifenemissionen sowie deren Ausbreitung in der Umwelt. Hierfür wurden Methoden erarbeitet, die eine prozessübergreifende Einflussgrößenbewertung ermöglichen. Die Arbeit ist in drei Themenkomplexe untergliedert. Der erste Themenkomplex ist der Analyse der Partikel-Strömungs-Interkation gewidmet. Das Verständnis des Partikelverhaltens in Abhängigkeit der Partikelgröße und den Strömungseigenschaften ist insbesondere für die Bewertung der Messfähigkeit von Reifenemissionen sowie deren Ausbreitung in der Umwelt von Relevanz. Der zweite Themenkomplex behandelt die Messung von Reifenemissionen im Fahrversuch, wobei der Zusammenhang zwischen dem Fahrzustand und der Partikelentstehung im Vordergrund steht. Abschließend wird eine Simulationsmethode beschrieben, die es erstmalig erlaubt, die Entstehung von Reifenemissionen vorherzusagen und deren Ausbreitung in der Umwelt nachzuvollziehen. Das Ziel der Arbeit bestand darin, die wichtigsten Einflussgrößen, die sowohl die Emission von Reifenpartikeln als auch deren Immissionswirkung betreffen, qualitativ zu beschreiben. 

Due to a permanently growing environmental awareness, anthropogenic emissions are being now a subject to increasing criticism. This is relevant in particular for traffic related emissions. In the past, exhaust emissions have gained a high degree of public attention. As a result of the legal regulation efforts, exhaust after-treatment systems were introduced. Consequently, a significant reduction of ambient air pollution was achieved while traffic volume increased at the same time. In contrast, non-exhaust emissions such as brake, tire and road wear particles are not yet subject to legal regulation. It is assumed that non-exhaust sources already exceed exhaust emissions. Regulatory efforts for brake particle emissions have already reached an advanced stage. Tire and Road Wear Particles (TRWP) have a similar impact. However, eventual regulations on TRWP are currently considered to be too complex due to the high number of influencing variables. In view of the trend towards electric powered vehicles, exhaust and brake emissions may become irrelevant in the future. Tire emission may ultimately occur as the final vehicle related emission source. Taking into account that the tire wear was identified as the biggest source of micro-plastic emissions, serious political pressure will accelerate regulatory efforts in the near future. 

This thesis aims to identify and to describe the most important variables influencing the tire emissions. The content includes the particle generation and measurement as well as the dispersion in the environment. The work was subdivided into three main parts. The first part is dedicated to the analysis of the particle-flow interaction. Proper understanding of the particle behavior as a function of particle size and flow properties is especially relevant for the interpretation of tire particle measurements as well as the particle dispersion in the environment. The second part is focused on the tire emission measurements based on driving tests. In particular, the relationship between the parameters of the driving dynamics and the tire emissions was investigated. Within the third part, a novel simulation method for virtual emission prediction and environmental tracking is introduced. The aim was to describe the tire particle formation process as well as the related immission effect in a qualitative manner. 

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