The Influence of Vehicle Operating Conditions on Tire–Road Particulate Matter Emissions

Die von Feinstaub ausgehende Gefahr für die menschliche Gesundheit ist durch unzählige Veröffentlichungen belegt. Ein wesentlicher Bestandteil des Feinstaubs stammt aus dem Straßenverkehr. Lange Zeit ging man davon aus, dass dafür maßgeblich die aus Verbrennungsmotoren stammenden Partikel verantwortlich seien. Doch insbesondere durch die Elektrifizierung zeigt sich immer deutlicher, dass auch Abriebprozesse einen wesentlichen Beitrag zum Feinstaubausstoß leisten. Dazu zählen unter anderem Partikel aus Reibbremsen und dem Reifen-Fahrbahn-Kontakt. Deren Bedeutung ist durch stetig sinkende Verbrennungsemissionen bereits gestiegen, was sich im Laufe der Elektifizierung weiter verstärken wird. ... mehrDaher wird die geplante Euro 7 Emissionsnorm erstmals Grenzwerte für beide Emittenten enthalten - im Falle von Reibbremsen bezüglich der Partikelemission, im Falle des Reifens bezüglich des Massenverlusts durch Verschleiß. Zur Regulierung von Reifen- bzw. Reifen-Fahrbahn-Feinstaub fehlt aktuell sowohl die Datenbasis als auch eine geeignete Methode zur Messung. Diese Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zum besseren Verständnis von Reifen-Fahrbahn-Feinstaub. Dazu wurde ein bestehender Reifen-Innentrommelprüfstand durch Umbauten und Erweiterungen in die Lage versetzt, Feinstaub aus dem Reifen-Fahrbahn-Kontakt in Echtzeit zu messen. Es wurde eine Methode erarbeitet, die die Berücksichtigung der Fahrbahntextur erlaubt und so reproduzierbare Messungen auf realen Fahrbahnoberflächen ermöglicht. Somit konnten fahrzeug-, fahrbahn- und umgebungsseitige Einflüsse auf die Emission untersucht werden. Der Zusammenhang zwischen den Fahrzeugeinflüssen und der Emission wird durch mathematische Funktionen beschrieben. Der Einfluss der Fahrbahn und der Umgebung wird anhand vergleichender Gegenüberstellungen aufgezeigt. Dabei zeigt sich, dass die Fahrweise, charakterisiert durch Längs- und Querdynamik, den größten vom Fahrzeug bzw. dem Fahrer ausgehenden Einfluss darstellt. Darüber hinaus wurden signifikante Emissionsunterschiede festgestellt, die auf den Reifentyp (Sommer, Winter, Allwetter) und die Griffigkeit der Fahrbahn zurückzuführen sind. Auf Basis der ermittelten Zusammenhänge zwischen Belastungszustand und Emission wurde schließlich ein Modell entwickelt, das unter Verwendung realer Fahrdaten Vorhersagen zur Feinstaubemission für beliebige Streckenprofile auf öffentlichen Straßen trifft.

The hazard to human health posed by particulate matter (PM) has been documented in countless publications. A significant proportion of PM comes from road traffic. For a long time, it was assumed that particles from internal combustion engines were mainly responsible. However, especially with the advent of electrification, it has become increasingly clear that abrasion processes also make a significant contribution to PM emissions. These include particles from friction brakes and tire–road contact. Their importance has been increasing as a result of the steady decline in exhaust emissions and will continue to do so as electrification progresses. ... mehrFor this reason, the upcoming Euro 7 emission standards will for the first time include limits for both emitters — on PM emission for friction brakes and on total mass loss for tire wear. Currently, there is neither a database nor a suitable measurement method to regulate tire or tire–road PM. This work makes a significant contribution to a better understanding of tire–road particulate matter. For this purpose, an existing tire internal drum test bench was modified and extended to enable the measurement of tire–road PM in real time. A method was developed to take into account the texture of the road surface, allowing reproducible measurements on real road surfaces. This enabled the investigation of vehicle, road and environmental influences on emissions. The relationships between the vehicle influences and the emission are described by mathematical functions. The influence of the road surface and the environment is shown by means of comparisons. Driving style, characterized by longitudinal and lateral dynamics, are shown to be the most important influence of the vehicle or the driver. In addition, significant differences in emissions were found, which can be attributed to the tire type (summer, winter, all–season) and the skid resistance of the road surface. Finally, based on the correlations found between load condition and emissions, a model was developed that uses real driving data to predict PM emissions for any route profile on public roads.