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Institut für Fahrzeugsystemtechnik

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Untersuchung der Feinstaubentstehung im Reifen-Fahrbahn-Kontakt

Untersuchung der Feinstaubentstehung im Reifen-Fahrbahn-Kontakt
Ansprechpartner:

Unrau, Hans-Joachim

1. Einleitung

Es ist allgemein bekannt, dass Luftverunreinigungen die Gesundheit gefährden. Insbesondere Feinstaub PM10 (Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner als 10 Mikrometer [1]) und Ultrafeinstaub PM0,1 (Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner als 0,1 Mikrometer [1]) stehen im Verdacht, besonders gesundheitsgefährdend zu sein. Diese feinen Partikel lagern sich fast überall ab, verschmutzen Oberflächen [2] und dringen teilweise tief in den menschlichen Körper ein. Ultrafeinstaub mit einer Partikelgröße kleiner als 0,1 Mikrometer passiert sogar die Lunge und gerät in den Blutkreislauf. Da die Auswirkungen auf die Gesundheit noch nicht vollständig geklärt sind, führen Feinstaubemissionen zu einer allgemeinen Verunsicherung der Bevölkerung [3]. Die Experten sind sich aber einig, dass das Einatmen von Feinstaub zu Asthma, Lungenkrebs, Atemwegserkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Frühgeburten und vorzeitigem Tod [4] führen kann. Daher wurde 1990 die Richtlinie 1999/30/EG der Europäischen Union erlassen, worin Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid, Stickstoffoxid, Blei und Partikel in der Luft limitiert sind, um eine zukünftige Verschlechterung der Luftqualität zu verhindern [5]. Die Quellen für den Feinstaub und den Ultrafeinstaub sind weit gestreut und reichen von natürlichen Quellen wie Vulkanausbrüchen und Waldbränden bis zu anthropogenen Quellen wie Verkehr, Kraftwerken und Landwirtschaft [6]. Der Feinstaub, der durch den Straßenverkehr verursacht wird, entsteht durch Verbrennungsmotoren, Bremsen, Kupplungsabrieb, Reifen- und Fahrbahnabrieb [7][8]. Mit zunehmender Verbreitung von Elektrofahrzeugen wird vor allem der prozentuale Anteil des Reifen- und Fahrbahnabriebs insbesondere in Ballungsgebieten weiter ansteigen. Die Bundesanstalt für Straßenwesen hat in 2009 die Menge von Reifenabrieb, der aus Gummi und Polymersubstanzen (42 %), Ruß (34 %), Mineralöl (17 %) und anderen Substanzen (7 %) besteht, auf 110 000 Tonnen/Jahr geschätzt [9]. Ungefähr 16 % des Rußanteils der Feinstaubfraktion PM10 kann auf Reifenabrieb zurückgeführt werden [10]. Insbesondere wird der Reifenabrieb auch als Hauptquelle für Mikroplastik-Partikel in Gewässern genannt, welche die Gewässer und Weltmeere verschmutzen [11][12][13].

2. Bisher durchgeführte Untersuchungen zum Reifenabrieb

Auch wenn der Anteil des Reifen-Fahrbahn-Abriebs an der Feinstaubbelastung beträchtlich ist, existieren noch keine umfangreichen Untersuchungen zu diesem Thema. Fukahori und Yamazaki analysierten den Mechanismus des Reifenabriebs [14][15][16] ab 1994 auf der Grundlage theoretischer Betrachtungen. Ihre Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Entstehung des Abriebbildes an der Oberfläche von Gummiproben, die Abriebpartikel wurden allerdings nicht betrachtet.

In 2008 und 2009 präsentierten Liang, Fukahori et al. in [17][18] ein Finite-Element-Modell, das den komplizierten Gummi-Abriebprozess beschreibt, insbesondere die Ausbreitung einer Beschädigung infolge einer Linien-Belastung durch einen harten Gleitkörper. Da die Autoren nur die Oberfläche der Gummikörper ohne die abgetrennten Abriebpartikel modellierten, sind in Ihren Forschungsergebnissen keine Aussagen über die Partikelemissionen enthalten. Die Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg unternahm umfangreiche Messungen von November 2006 bis März 2007 im Gebiet rund um Stuttgart, um speziell die Zusammensetzung der Schadstoffemissionen im Partikelbereich kleiner oder gleich 10 Mikrometer zu untersuchen [19]. Hierbei wurde jeweils auf der luvwärtigen und der leewärtigen Straßenseite gemessen. Ausgewertet wurde die Differenz der gleichzeitig ermittelten Messwerte, um den Einfluss der Hintergrundkonzentration zu eliminieren. Eine Separation der Reifenabriebspartikel von der Gesamtemission der Fahrzeuge war mit der eingesetzten Messausrüstung nicht möglich.

Hussein et al. nutzten in [20] eine ähnliche Vorgehensweise, allerdings verwendeten sie eine im Fahrzeug mitgeführte Messausrüstung. Sie erfassten die Partikel-Konzentration vor und nach dem Fahrzeugreifen und bestimmten den Beitrag des Reifens durch Differenzbildung der beiden Messwerte. Sie beobachteten einen starken Anstieg der Partikel-Emission, wenn von spikelosen Winterreifen auf Winterreifen mit Spikes gewechselt wurde. Diese erhöhte Partikel-Emission war auf den stärkeren Straßenabrieb zurückzuführen [20][21][22]. Hussein et al. konnten für Spike-Reifen auch einen Anstieg der Partikel-Emission mit ansteigender Fahrgeschwindigkeit beobachten und einen Einfluss der vorliegenden Straßenoberfläche feststellen.

Gustafson et al. vom Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI) in Linköping nutzten einen Laborprüfstand, bei dem vier Reifen auf einer Kreisbahn mit 5,3 m Durchmesser ablaufen, um die Partikel-Emission von Reifen und Fahrbahn zu untersuchen [21]. Es wurden Messungen mit unterschiedlichen Reifen bei verschiedenen Geschwindigkeiten auf unterschiedlichen Fahrbahnoberflächen durchgeführt. Gleichzeitig wurde die Partikel-Verteilung in der Umgebungsluft in 2 m Abstand zur Fahrbahn und in einer Höhe von 1 m über der Fahrbahn erfasst. Außerhalb der Prüfstandshalle wurde mit einer separaten Messeinrichtung die Hintergrundkonzentration gemessen. Gustafson et al. konnten nachweisen, dass die PM10-Konzentration in der Prüfstandshalle während der Durchführung der Versuche deutlich anstieg.

3. Fazit zu den bisher durchgeführten Untersuchungen

Alle bisher durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass der Reifen zu einem beträchtlichen Teil an der Feinstaub-Emission der Pkw beteiligt ist. Es konnte auch bereits nachgewiesen werden, dass die Feinstaub-Emission vom verwendeten Reifentyp, der Fahrgeschwindigkeit und der eingesetzten Fahrbahn beeinflusst wird. Allerdings gibt es weitere wichtige Einflussgrößen, deren Auswirkungen auf die Feinstaubemission nicht ermittelt wurden, z.B. Radlast, Reifenseitenkräfte bzw. Schräglaufwinkel, Reifenumfangskräfte bzw. Längsschlupf und Umgebungstemperatur. Nur wenn der Einfluss dieser Größen auf die Reifenfeinstaubemission bekannt ist, kann bestimmt werden, in welcher Fahrsituation welche Menge Feinstaub emittiert wird. Dabei ist aber nicht nur die Gesamtmenge Feinstaub von Interesse, sondern auch die Größenverteilung. Es ist daher zu klären, wie die Verteilung des Feinstaubs auf die Fraktionen PM10, PM2,5, PM1 und PM0,1 von den Betriebsbedingungen beeinflusst wird. Erst danach lassen sich konkrete Maßnahmen erarbeiten, um die Entstehung von Reifen-Fahrbahn-Abrieb zu minimieren.

4. Forschungsvorhaben

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll die Entstehung von Reifenfeinstaub und der Einfluss von Betriebsparametern auf die Feinstaubemission genauer als bisher untersucht werden. Da Laboruntersuchungen hinsichtlich der Messgenauigkeit den Straßenversuchen überlegen sind und auch die Hintergrundbelastung im Labor besser zu eliminieren ist, soll für diese Untersuchungen der vorhandene Reifen-Innentrommelprüfstand des Instituts für Fahrzeugsystemtechnik zum Einsatz kommen. Bei diesem Prüfstand läuft der Reifen im tiefsten Punkt einer großen Innentrommel mit 3,8 m Innendurchmesser, die die Fahrbahn für die Versuche darstellt. Der große Vorteil dieses Prüfstandes ist, dass auf der Innenseite der Trommel verschiedene reale Fahrbahnoberflächen (Asphalt und Beton) montiert werden können, so dass der Reifenabrieb unter realistischen Bedingungen erfolgt. Mit der Radaufhängung können exakt die Betriebsbedingungen eingestellt werden, die auch auf der Straße auftreten. Die Lufttemperatur kann in weiten Bereichen oberhalb und unterhalb des Gefrierpunkts eingestellt werden. Bei Bedarf kann die Fahrbahn bewässert werden. Der gesamte Prüfstand ist gekapselt, so dass die Hintergrundbelastung durch Feinstaub genauer erfasst und eliminiert werden kann.

Es ist geplant, nicht nur Durchschnittswerte zur Feinstaubemission von Fahrzeugreifen über eine zurückgelegte Wegstrecke zu messen, sondern auch die aktuellen Feinstaubemissionswerte, die jeweils der vorliegenden Fahrsituation zugeordnet werden können. Des Weiteren soll die Verteilung der Emissionswerte auf die Fraktionen PM10, PM2,5, PM1 und PM0,1 bestimmt werden.

Um die geplante Vorgehensweise zu erproben, wurden am Reifen-Innentrommelprüfstand bereits erste Vorversuche durchgeführt, die in [23] veröffentlicht wurden. Bei diesen Vorversuchen, die beispielhaft mit einem gängigen Reifen durchgeführt wurden, zeigte sich ein deutlicher Anstieg der Ultrafeinstaubemission bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, größeren Schräglaufwinkeln und größeren Umfangskräften. Um genaue Angaben machen zu können, muss allerdings die Messausrüstung weiter optimiert werden. Vor allem aber müssen weitere Kombinationen von Lastfällen und Umgebungsbedingungen, unterschiedlich gestaltete Reifentypen und der Einfluss unterschiedlicher Straßenbeläge untersucht werden. Am Ende des Forschungsvorhabens sollen schließlich Daten zur Verfügung stehen, die für Maßnahmen genutzt werden können, um die Reifen-Fahrbahn-Emissionen zu minimieren. Hierfür werden folgende Ansatzpunkte als besonders geeignet gesehen:

  • Optimierung der Fahrweise bzw. der Fahrstrategie (herkömmliches Fahren, automatisiertes Fahren, autonomes Fahren)
  • Optimierung des Fahrzeugs
  • Optimierung der Reifen
  • Optimieren der Fahrbahn

Literatur

[1] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN (Ed.): Feinstaub und Stickstoffdioxid: Wirkung, Quellen, Luftreinhaltepläne, Minderungsmaßnahmen, 1st Edition, Praxis, Beuth, Berlin, 2006.

[2] C. Rüger: Die Wege von Staub: im Umfeld des Menschen, Springer-Verlag, 2016.

[3] M. Prill, Betrachtung der Feinstaubproblematik in Deutschland, Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Nürtingen-Geislingen, Standort Geislingen, Deutschland, 2008.

[4] R. M. Harrison, J. Yin: Particulate matter in the atmosphere: which particle properties are important for its effects on health?, Science of the total environment 249 (1) (2000) 85-101.

[5] Europäische Union: Richtlinie 1999/30/EG des Rates vom 22. April 1999 über Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft, Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften. Nr. L 163.

[6] Umweltbundesamt: Feinstaubbelastung in Deutschland, online verfügbar unter https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/3565.pdf 6.

[7] V. Diegmann, F. Pfäffling, H. Wursthorn und G. Wiegand: „Maßnahmen zur Reduzierung von Feinstaub und Stickoxid,“ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB), 2007.

[8] H. Willeke: „CO2-Emission und Feinstaub in Verbindung mit Rollwiderstand von Reifen,“ DEKRA, Essen, 2008.

[9] B. Kocher, S. Brose, J. Feix, C. Görg, A. Peters, K. Schenker: Stoffeinträgein den Straßenseitenraum - Reifenabrieb, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Unterreihe Verkehrstechnik (188).

[10] F. Palme, P. Rabl: Korngrößen und Inhaltsstoffe von urbanen Stäuben – Einflüsse von Kfz-Emissionen, Bericht zum Workshop in Mühlheim/Ruhr 22./23. Januar 2004, Herausgeber: Umweltbundesamt, Berlin

[11] M. Carus: „(Mikro-)Plastik: Vom Werkstoff der unbegrenzten Möglichkeiten zum umweltgefährdenden Schadstoff?,“ nova-Institut, Hürth, 2015.

[12] R. Essel, R. Engel, M. Carus, R. Ahrens: Sources of microplastics relevant to marine protection in Germany, Texte 64 (2015) 2015.

[13] P. Sundt, P. Schulze, F. Syversen: Sources of microplastic-pollution to the marine environment, Mepex Report for the Norwegian Environment Agency.

[14] Y. Fukahori, H. Yamazaki: Mechanism of rubber abrasion. Part 1: Abrasion pattern formation in natural rubber vulcanizate, Wear 171 (1) (1994) 195 - 202.

[15] Y. Fukahori, H. Yamazaki: Mechanism of rubber abrasion. Part 2: General rule in abrasion pattern formation in rubber-like materials, Wear 178 (1) (1994) 109 - 116.

[16] Y. Fukahori, H. Yamazaki: Mechanism of rubber abrasion. Part 3: How is friction linked to fracture in rubber abrasion?, Wear 188 (1) (1995) 19 - 26.

[17] Y. Fukahori, H. Liang, J. Busfield: Criteria for crack initiation during rubber abrasion, Wear 265 (3-4) (2008) 387 - 395. doi:10.1016/j.wear.2007.11.008.

[18] H. Liang, Y. Fukahori, A. Thomas, J. Busfield: Rubber abrasion at steady state, Wear 266 (1) (2009) 288 - 296.

[19] I. Düring, A. Moldenhauer, T. Zur Heiden, U. Weese, W. Schmidt, T. Nagel: Modellierung von PM10-Konzentrationen und deren Inhaltsstoffe für den Bereich Stuttgart Am Neckartor, Immissionsschutz 16 (1).

[20] T. Hussein, C. Johansson, H. Karlsson, H.-C. Hansson: Factors affecting non-tailpipe aerosol particle emissions from paved roads: On-road measurements in Stockholm, Sweden, Atmospheric Environment 42 (4) (2008) 688 - 702.

[21] M. Gustafsson, G. Blomqvist, A. Gudmundsson, A. Dahl, E. Swietlicki, M. Bohgard, J. Lindbom, A. Ljungman: Properties and toxicological effects of particles from the interaction between tyres, road pavement and winter traction material, Science of the total environment 393 (2) (2008) 226 - 240.

[22] J. Gültlinger: Kraftübertragung und Fahrbahnverschleiß durch Spikereifen, Vol. 34, KIT Scientific Publishing, 2015.

[23] M. Foitzik, H.-J. Unrau, F. Gauterin, J. Dornhöfer, T. Koch: Investigation of Ultra Fine Partikel Matter Emission of Rubber Tires, Wear Vol. 384 – 395 (January 2018), Pages 87 – 95, Elsevier, Amsterdam, Netherlands.