Bremsstaubabsaugung mit Venturi-Unterdruckerzeuger zur aktiven 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 Bremsstaub- und Reifenabriebsabsaugung kann dabei helfen, den in die Umwelt abgegebenen Feinstaub zu reduzieren. Die der Bremsscheibe, dem Reifen bzw. dem Fahrzeug folgende, Staubpartikel-belastete Grenzschicht wird effizient durch eine Lufteinblasung abgelöst und kann dadurch leichter abgesaugt werden. Damit die Absaugung energiesparend erfolgen kann, wird der benötigte Unterdruck z.B. mit Hilfe eines Unterdruckerzeugers, der nach dem Venturi-Prinzip als eine Düse am Felgeninnenrand arbeitet, erzeugt.

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. Klar bei diesen Konzepten ist jedoch, dass passive Systeme den feinen Bremsstaub nicht effizient auffangen können und dass für eine effektive Absaugung der Partikel-tragenden Grenzschicht an den Bremsscheiben, nach den gängigen Konzepten, ein starker Unterdruck benötigt wird. Dieser schlägt sich, wenn er aktiv erzeugt werden muss, bspw. mittels elektrischer Turbinen, negativ in der Energiebilanz des Fahrzeugs nieder, was wiederum zu einem höheren Kraftstoff- oder bei Elektrofahrzeugen zu einem höheren Stromverbrauch führt. Damit beispielsweise bei einer spontanen Bremsung der benötigte Unterdruck sofort zur Verfügung steht, müsste entweder die entsprechende Turbine dauerhaft laufen oder alternativ der Unterdruck in einem Druckbehälter bevoratet werden, was zusätzlich ein Mehrgewicht des Fahrzeugs zur Folge hätte.

Unsere Lösung

Zur effektiven Absaugung von Brems-, Reifen-, oder Straßenabrieb schlägt die vorliegende Erfindung eine Brems- bzw. eine Reifenstaubabsaugehaube vor, die zur Ablösung der Feinstaubpartikel-belasteten Grenzschicht über ein Lufteinblasung verfügt. Mit dieser wird ein gegenläufiger Luftstrom auf die Bremsscheibe (s. Abb.1), bzw. den Fahrzeugreifen oder die Fahrbahn gerichtet (s. Abb.2), der zu einer Ablösung der Grenzschicht führt. In Verbindung mit der Haube wird dadurch eine leichtere, umfassendere und insbesondere energieeffizientere Absaugung der Staubschicht ermöglicht. Der zum effektiven Absaugen benötigte Unterdruck fällt hierdurch weitaus geringer aus, als wenn die Grenzschicht allein mittels Unterdruck von der Oberfläche abgesaugt werden müsste.

Bremsstaubabsaugehaube

Abb.1: Bremsstaubabsaugehaube. Die den Bremsbelag oder den gesamten Bremssattel umschließende Haube verfügt zur effizienten Absaugung des beim Bremsen entstehenden Bremsstaubs über eine Lufteinblasung, die die partikeltragende Grenzschicht von der Bremsscheibe ablöst und über eine Absaugung auffangen und einer Filtereinheit zuführen kann. (Quelle: Adaption nach Patentanmeldung)

Damit der benötigte Unterdruck nicht durch zusätzliche Verbraucher (bspw. Pumpen, Turbinen) erzeugt werden muss, wird ein auf dem Venturi-Effekt basierender Unterdruckerzeuger vorgeschlagen, der sich in Form eines Luftleitblechs darstellt, das in der Nähe des inneren Felgenrandes eines Fahrzeugrades positioniert wird (s. Abb.3). Durch diese Positionierung kommt es zu einer Verengung des Strömungsquerschnitts für die sich am Felgeninnenrand bildenden Grenzschicht des rotierenden Rades an der engsten Stelle. Eine hier positionierte Bohrung kann so zur Erzeugung eines auf dem Venturi-Prinzip basierenden Unterdruck genutzt werden, der zum Betreiben der Absaugvorrichtung ausreicht. Bei der Fahrt steht so immer ein der Geschwindigkeit entsprechender Unterdruck zur Verfügung.
Durch Bereitstellung entsprechender Einblas- und Absaugvolumenströme, kann ein vollständige Absaugung der bremsstaubpartikelbelasteten Strömung in den Filter ermöglicht werden.

Reifenabrieb-Absaugung

Abb.2: Reifenabrieb-Absaugung. Ähnlich der Bremsstaubabsaugung, kann mittels Lufteinblasung die reifen- und straßenabriebenthaltende Grenzschicht von Reifen und/oder Asphalt abgelöst und aufgefangen werden. Die Einheit ist beweglich, um auf Wetterbedingungen sowie Straßeneigenschaften reagieren zu können. (Quelle: Adaption nach Patentanmeldung)

Für die Reifenabriebabsaugung wird eine bewegliche Haube vorgeschlagen, die je nach Wetterlage (Regen, Schnee), Straßenbedingung (Asphalt, Schotter) oder auch Hindernissen (Bordsteinkanten etc.) ein- und ausgefahren werden kann.

Unterdurckerzeuger

Abb.3: Unterdurckerzeuger. A) Ein im Radträger angeordnetes Leitblech führt zu einer Verengung des Strömungsquerschnitts an der Felgeninnenseite und kann so zur Erzeugung eines Unterdrucks mittels Venturidüse genutzt werden kann. Die mit (*) gekennzeichnete Linie gibt die Lage des in B) gezeigten Querschnitts durch das Rad. (Quelle: Adaption nach Patentanmeldung)

Vorteile

  • Abdichtung zum effizienten und effektiven Auffangen des entstehenden Feinstaubs ohne Kontakt zu bewegten Teilen
  • Absaugung mit geringerem Unterdruck möglich
  • 100%ige Absaugung der staubpartikelbelasteten Strömung realisierbar
  • Energieeffizienz durch passiv erzeugten Unterdruck nah am Verbraucher
  • Keine Beeinflussung der Kühleigenschaften der Bremsscheibe
  • Auch Einsatz bei innenbelüfteten Bremsscheiben problemlos möglich
  • Nachrüstbar

Anwendungsbereiche

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

Entwicklungsstand

Ein erster Prototyp wurde bereits im hochschuleigenen Windkanal erfolgreich getestet.

Patentsituation

Deutsche Patentanmeldungen eingereicht

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

Verwandte Technologien

Bremsstaubfilterhaube mit Endabscheider und Wirbelgenerator zur passiven Grenzschichtbeeinflussung

Kontakt

Dr. Markus Muchow
Patentmanager Physik & Technik
E-Mail: mmuchow(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: MM-2179-FHBW und MM-2184-FHBW
www.sciencebridge.de

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