Neue Wege zur Verringerung von Bremsstaubemissionen

Wenn Sie an Fahrzeugemissionen denken, fallen Ihnen höchstwahrscheinlich zuerst die Abgase ein, die aus dem Auspuffrohr austreten. Aber Autos stoßen noch weitere potenziell umweltbelastende Partikel aus, an die Sie wahrscheinlich nicht sofort gedacht haben. Sie stammen von Bremsverschleiß, Reifenverschleiß und Straßenabrieb. Tatsächlich stammen nur 15 % der Emissionen aus den Abgasen, während die restlichen 85 % aus auf diese anderen Quellen zurückgehen. Hiervon können die kleinen Metallpartikel, die an der Bremsscheibe entstehen, am besten durch Filterung aufgefangen werden. Die Europäische Union (EU) erwägt derzeit Rechtsvorschriften zur Begrenzung aller Emissionen von Fahrzeugen, einschließlich der Partikel von Bremsscheiben.

Ingenieure bei MANN+HUMMEL mit Sitz in Ludwigsburg, Deutschland, nutzen mit zusätzlicher Unterstützung aus ihren indischen Niederlassungen Ansys Fluent, um den Fluss von Metallpartikeln beim Verlassen der Bremsen zu simulieren. Ziel ist, einen passiven Filter (d. h. ohne bewegliche Teile) zu entwickeln, der auf Bremssättel passt und diese Partikel aufnimmt, bevor sie in die Umgebung gelangen. 

Die Entscheidung für die Verwendung der Ansys-Software fiel dem Entwicklungsteam leicht.

"Wir hatten den großen Vorteil vieler Ingenieure, die bereits Erfahrung mit Ansys Fluent hatten", so Christoph Schulz, Manager Simulation Filter Elements bei MANN+HUMMEL.  "Deshalb war Ansys unsere erste Wahl, als wir mit diesem Projekt begannen."

Die Herausforderung bei der Modellierung von Bremsenpartikelemissionen

Obwohl das Bremsscheiben-/Bremsbelagsystem relativ einfach zu sein scheint, ist seine Modellierung schwieriger als zunächst angenommen.

"Die Physik der Entstehung und beim Fluss von Bremsscheibenpartikeln ist noch nicht vollständig ergründet", sagt Schulz. "Man könnte mehrere Dissertationen über dieses Thema recherchieren und schreiben, um es vollständig zu erfassen."

Bei einer Simulation dieses Systems mit Zusatz eines Bremsstaubpartikelfilters (BDPF) muss unter anderem Folgendes berücksichtigt werden:

• Das gesamte Strömungsfeld im BDPF, das durch die Drehung der inneren belüfteten Bremsscheibe erzeugt wird.
• Das Material des Bremsbelags, der Bremsscheibe und des Metallfilters
• Die Abscheideeffizienz des Filters für Metallpartikelgrößen von 0,1–10 µm.
• Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Metallpartikel auf das Filtermedium gelangt, damit es erfasst werden kann.
• Quasi-statische Durchflussraten von 10–130 km/h
• Thermische Auswirkungen, wenn sich der BDPF während des Bremsvorgangs erwärmt.

Bezüglich dieser Punkte erklärt Schulz, dass die Werkstoffe der Bremsscheibe (hauptsächlich Gusseisen) und des Bremsbelags (Metalle wie Eisen, Kupfer, Stahl und Graphit, die miteinander verklebt sind) sich je nach Hersteller dieser Bauteile unterscheiden, sodass die beim Bremsvorgang entstehende Reibung variiert. Diese Reibung führt dazu, dass sich Metallpartikel in verschiedenen Größen und Mengen bilden. Größe und Anzahl der Partikel sind also abhängig vom Bremsenhersteller, der Temperatur und der Kraft, die von der hydraulischen Bremsanlage ausgeübt wird.  

Die Temperatur bestimmt auch, ob die Metallpartikel in die Luft freigesetzt werden, die durch die Bremse strömt, oder ob sie zuerst an der Scheibe haften und erst später in die Luft gelangen. Wenn sie sich lösen, gelangen sie in das innere Belüftungssystem der Scheibe, das aus Löchern besteht, die von Kühlluft durchströmt werden. Dieser Luftstrom kann je nach Fahrgeschwindigkeit und Windbedingungen erheblich variieren.

Bei der Konstruktion eines BDPF müssen die Ingenieure auch darauf achten, dass das Filtersystem nicht zu dem Problem des Luftstroms beiträgt. Das Metallgitter, das als Filtermedium dient, verlangsamt den Luftstrom, insbesondere, wenn der Filter eine Weile in Gebrauch war und sich das Gitter mit eingeschlossenen Partikeln zusetzt. Ein reduzierter Luftstrom kann zu unerwünschter Überhitzung führen.

"All diese Variablen erhöhen die Komplexität der Konstruktion eines Bremspartikelfilters", sagt Schulz, "und Komplexität kann zu Unsicherheit im Design führen."

Weniger Unsicherheit durch Simulation

Anstatt mehrere Doktoranden zu finanzieren, die diese Herausforderungen lösen und Dissertationen schreiben, leitete Dr. Florian Keller, Director of Engineering Air Filter Elements and Simulation bei MANN+HUMMEL, ein Forschungsprojekt, um den Partikelfluss durch ein Bremssystem mit BDPF besser zu verstehen und zu verfolgen. Wie er im resultierenden Artikel "Development of a Modeling Approach to Numerically Predict Filtration Efficiencies" schrieb, der von SAE International veröffentlicht wurde:

"Während Simulationen der numerischen Strömungsmechanik (CFD) für innenbelüftete Bremsen zum aktuellen Stand der Technik geworden sind, steht noch kein ganzheitliches Modell von der Partikelerzeugung und -emission bis zur Partikeldynamik in der Nähe der Bremse zur Verfügung."

Das Papier beschreibt die Bemühungen seines Teams, mithilfe von Fluent ein solches ganzheitliches Modell zu entwickeln, um die Filterung für 10 verschiedene Filterdesigns und vier Schwimmsattelbremsen zu simulieren.

Die in den Simulationen verwendeten BDPFs bestehen aus einem Gehäuse, das mit einem gefalzten Metallfaserfiltergitter gefüllt ist, das sowohl auf axialen Oberflächen als auch auf der radialen Oberfläche des Gehäuses angeordnet ist. Die Falze vergrößern die Oberfläche des Filtermediums. Das Gehäuse ist am Bremssattel befestigt. Wenn sich die Bremsscheibe dreht, strömt Luft durch die innere Belüftung und in den BDPF. Diese Luft enthält Metallpartikel von den Bremsen, die sich im Filtergitter verfangen können. Ziel der Simulationen war, den Anteil der Metallpartikel, die vom Filter erfasst werden, an allen Metallpartikeln, die die Bremse verlassen, zu bestimmen.

Laut dem Artikel stellten Keller und sein Team die Simulationen mit einem Moving Reference Frame (MRF)-Ansatz auf, bei dem die Navier-Stokes-Fluidströmungsgleichungen in Fluent vom stationären in einen Moving Frame transformiert werden. Dies wird erreicht, indem die relative Geschwindigkeit der Partikel im beweglichen Referenzrahmen, die Geschwindigkeit im Trägheitsrahmen, die Winkelgeschwindigkeit und der Positionsvektor vom Ursprung des beweglichen Rahmens berücksichtigt werden. Bei diesem Ansatz umfasst die Beschleunigung der Luft die Coriolis- und Zentrifugalkräfte, die den Luftstrom im inneren Belüftungsbereich antreiben. 

Das Team nutzte die diskrete Phasenmodellierung (DPM), um das Partikelverhalten zu injizieren, zu verfolgen und zu analysieren und letztlich die Filtereffizienz des BDPF zu berechnen. Diskrete Partikel der Größen 0,1 µm, 0,5 µm, 1 µm, 2 µm, 3 µm, 5 µm, 7 µm und 10 µm mit einer Dichte von 2.650 kg/m³ wurden an vier Einspritzpunkten in der Nähe des Bremsbelags in die Simulationsdomäne eingespritzt.

Die Anzahl der Integrationsschritte bei der Verfolgung der Partikelbahnen wurde auf 70.000 festgelegt, um unvollständige Bahnen zu reduzieren. Die simulierten Partikelbahnen von Fluent zeigen, dass sich die Partikel zunächst radial zum Filtermedium bewegen und dann umlaufend entlang des Filterelements fließen. Wenn Metallpartikel die Oberfläche des Filtermediums erreichten, galten sie als eingeschlossen, während Partikel, die den Auslass des Bereichs verließen, als entwichen galten.

Anhand dieser Simulationen konnte das Team von Keller den Fluss von Metallstaubpartikeln verfolgen, die vom Bremsbelag und von der Bremsscheibe kamen, die Wahrscheinlichkeit eines Aufpralls auf dem Filtermedium vorhersagen, die Partikelgrößenverteilung bestimmen und die Gesamtfilterungseffizienz der 10-BDPF-Designs berechnen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Staubpartikel auf das Filtermedium trifft, lag bei einem der Designs bei bis zu 80 %.

Die Ingenieure bei MANN+HUMMEL entwickelten einen Prüfstand für physikalische Bremsen, um Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Keller und sein Team kamen zu dem Schluss, dass mithilfe der Fluent-Simulation Filterungsergebnisse mit einer Genauigkeit von bis zu 10 % im Vergleich zu physikalischen Tests mit Fahrzeugen im WLTC-Zyklus der Klasse 3 vorhergesagt werden können, in der Fahrzeuge mit dem höchsten Masse-Leistungsverhältnis enthalten sind, die für Fahrzeuge in Europa und Japan repräsentativ sind.

Selbst bei einer so engen Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentellen Ergebnissen lieferten Simulationen viel mehr Details.

 "Auf einem Prüfstand lässt sich üblicherweise kein Eindruck vom Strömungsfeld und von der Partikelbewegung selbst gewinnen", so Schulz. "Das ist also etwas, bei dem Simulationen wirklich einen großen Vorteil bieten. Wenn Sie sich dieses Bremssystem ansehen, gibt es viele kleine Lücken, durch die Partikel austreten und das Filterelement umgehen könnten. Diese Lücken können in einer Simulation viel leichter erkannt werden als auf einem echten Prüfstand. Fluent ist ein großer Vorteil, wenn es darum geht, die Details von Fluss und Partikelbewegung aufzuzeigen."

Erfahren Sie mehr darüber, wie Ansys Fluent Ihnen helfen kann.