Bremsstaubfilterhaube mit Endabscheider und Wirbelgenerator zur passiven Grenzschichtbeeinflussung

Der verkehrsbedingte Feinstaub wird zu rund 85% durch Reifen-, Bremsen- und Straßenabrieb sowie durch die Aufwirbelung der Staubschicht auf den Fahrbahnen gebildet. Die hier vorgestellte Bremsstaubauffangvorrichtung kann dazu beitragen, den in die Umwelt abgegebenen Feinstaub zu reduzieren. Die der Bremsscheibe folgende, Staubpartikel-belastete Grenzschicht wird durch einen in die Filterhaube integrierten Endabscheider mittels Strömungsführungen effektiv in die Filtermatten geleitet. Die Grenzschicht kann durch Integration eines Wirbelgenerators in der Filterhaube zusätzlich abgelöst und dadurch die Filterwirkung effektiviert werden.

Problemstellung

Neue Studien zeigen, dass der verkehrsbedingte Feinstaub der Partikelgröße PM10 (particular matter; bis zehn Mikrometer Durchmesser) zu rund 85 Prozent durch Reifen-, Bremsen- und Straßenabrieb sowie durch die Aufwirbelung der Staubschicht auf den Fahrbahnen entsteht. Die Feinstaubproblematik betrifft daher nicht nur Dieselfahrzeuge sondern auch solche mit Benzin- oder Elektromotor. Allein der Staub von den Bremsen macht, laut Untersuchungen der Schweizer Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa, rund ein Fünftel der verkehrsbedingten Feinstaubemissionen in den Städten aus. Zusammen mit dem Reifenabrieb wird so allein in Deutschland jährlich eine Gesamtmenge von weit über 111.400 Tonnen Abrieb in die Luft gewirbelt. Gerade der Bremsstaub ist besonders gefährlich in der Atemluft, da sich die entstehenden Partikel zu einem Großteil im Größenbereich von unter 0,1 μm (ultrafeine Fraktion der PM2,5 Feinstaubpartikel) bewegen und damit bis in das Lungengewebe und teilweise sogar bis in die Blutbahn vordringen können. Zudem enthalten sie, aufgrund der Beschaffenheit der Bremsscheiben und -beläge, extrem gesundheitsschädliche Stoffe wie Nickel, Chrom und Kupfer.
Zum Auffangen von Bremsstaub gibt es bereits verschiedene Lösungen die von einfachen, passiven Filterhauben bis zu motorgetriebenen Absaugevorrichtungen reichen. Bei aktiven Systemen wird jedoch zumeist die Energiebilanz des Fahrzeugs verschlechtert. Die bislang vorgeschlagenen passiven Konzepte in Form von einfachen Filterhauben können den feinen Bremsstaub nicht effizient auffangen, da sie nicht in der Lage sind, die staubführende, bremsscheibennahe Grenzschicht effektiv aufzubrechen, von der Bremsscheibe abzulösen und in Filtermatten zu leiten. Zudem erhöht die Einhausung der Bremsscheibe durch verschlechterte Belüftung die thermische Belastung der Bremsscheibe und kann somit die Haltbarkeit und damit die Sicherheit der Bremsscheibe gefährden.

Unsere Lösung

Um die Effizienz einer passiven Filterhaube zu verbessern und so eine effektive und zu den aktiven Systemen konkurrenzfähige, passive Bremsstaubauffangvorrichtung zu präsentieren, wird hier eine Bremsstaub-Filterhaube mit integriertem Endabscheider und optionalem Wirbelgenerator vorgeschlagen. Wie in Abb. 1 dargestellt, schließt die Filterhaube an den Bremssattel der Scheibenbremse an und deckt einen Teil des Bremsscheibenumfangs ab. Im Inneren weist die Haube nicht wie bei bisherigen Konzepten nur einfache Filtermatten auf, sondern beinhaltet eine Strömungsführung, die dafür sorgt, dass die Staubpartikel-führende Grenzschicht von der Bremsscheibe abgelöst wird. Hierzu wird zunächst durch Luftleitbleche (5 in Abb. 1B) der Strömungsquerschnitts im Inneren der Haube verringert und mit Hilfe eines Endabscheiders (6 in Abb. 1B), der über eine der Bremsscheibe dicht angrenzenden Schneide verfügt (7 in Abb. 1B), und anschließender Umlenkung der Strömung (8 in Abb. 1B) die Grenzschicht von der Bremsscheibe abgelöst. Durch die Schneide wird auch die Abdichtung der Filterhaube unterstützt, während durch die sich ändernden Druckverhältnisse in der Haube ein Abscheiden der Bremsstaubpartikel in Filtermatten (9 in Abb. 1B) begünstigt wird.

Bremsstaubhaube

Abb.1: Bremsstaubhaube. A) Die an den Bremssattel 2 anschließende Haube 4 überdeckt einen Teilumfang der Bremsscheibe 1 und verfügt zur effizienten Abscheidung des beim Bremsen durch Abrieb der Bremsbeläge 3 bzw. der Bremsscheibe 1 entstehenden Bremsstaubs über einen Endabscheider (A) und einen optionalen Wirbelgenerator (B). B) Horizontaler Längsschnitt durch die Filterhaube 4, mit der Bremsscheibe 1, dem Bremssattel 2 mit Bremsbelägen 3. In Strömungsrichtung (Pfeile) enthält die Filterhaube 4 einen Wirbelgenerator (B) und einen Endabscheider (A) mit Luftleitblech 5 und Schneide 7 sowie Strömungsumlenkung 6 und 8. Der Bremsstaub wird in Filtermatten 9 abgeschieden, bevor die Luft am Ende der Haube austritt. (Quelle: Adaption nach Patentanmeldung)

Ein optional integrierter Wirbelgenerator (B in Abb. 1A und B) begünstigt das Ablösen der Grenzschicht. Der Wirbelgenerator kann darüberhinaus auch ohne den Endabscheider in einer einfacheren Filterhaube bereits einen Vorteil bewirken. In einer besonders vorteilhaften Ausführung weist die Filterhaube im Querschnitt eine Brezelform auf (s. Abb. 2B), wobei der Wirbelgenerator in Form eines Flügelrades (4 in Abb. 2B) ausgeführt ist. Hierdurch kann ein besonders stabiler Wirbel in der Filterhaube erzeugt werden. Dieser unterstützt zusätzlich auch die Durchströmung der Lüftungskanäle (7 in Abb. 2B) der innenbelüfteten Bremsscheibe und reduziert somit die thermische Belastung der Bremsscheibe.

Filterhaube mit Wirbelgenerator

Abb.2: Querschnitt durch unterschiedliche Ausführungsformen der Filterhaube mit Wirbelgenerator. A) Die innenbelüftete 7 Bremsscheibe 2 wird von der Filterhaube 1 umschlossen. Im Strömungskanal 3 der Filterhaube ist beidseitig der Bremsscheibe 2 ein flügelförmiger Wirbelgenerator 4 angeordnet, der zum Aufbrechen der Grenzschicht einen Luftwirbel 5 in Bremsscheibennähe erzeugt. B) Brezelförmige Filterhaube 1 mit Wirbelgenerator in Flügelradform. Die Flügel 4 sind im Strömungskanal 3 um einen Mittelpunkt des Flügelrades 5 angeordnet und längs der Bremsfläche der innenbelüftete 7 Bremsscheibe 2 durch ein Luftleitelement 6 begrenzt. (Quelle: Adaption nach Patentanmeldung)

Vorteile

  • Verbesserte Abscheidung von Bremsstaub im Vergleich zu konventionellen passiven Filterhauben
  • Effektivere Ablösung der Grenzschicht von der Bremsscheibe ohne negative Beeinflussung der Kühlleistung
  • Gute Abdichtung ohne Kontakt zu bewegten Teilen
  • Kein zusätzlicher Energieverbrauch (passive Funktionsweise)
  • Kompakter Aufbau, Grenzschichtbeeinflussung und Filter in einer kompakten Baugruppe
  • Nachrüstbar

Anwendungsbereiche

  • PKW & LKW (unabhängig von der Antriebsart)
  • Schienenfahrzeuge
  • Flugzeuge
  • Zweiräder

Entwicklungsstand

Ein erster Prototyp wird entwickelt und soll zeitnah im hochschuleigenen Windkanal getestet werden.

Patentsituation

Deutsche Patentanmeldungen eingereicht

Patentinhaber:
Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften – Hochschule Braunschweig/Wolfenbüttel

Verwandte Technologien

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Kontakt

Dr. Tilmann Götze
Patentmanager Physik & Technik
E-Mail: tgoetze(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: MM-2244-FHBW und MM-2245-FHBW
www.sciencebridge.de

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