DE102016224432B4

DE102016224432B4 - Kraftfahrzeug mit Staubsensor und Verfahren zur Minderung von Staubaufwirbelung oder Staubemission durch ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016224432B4
Application number: DE102016224432.9A
Authority: DE
Inventors: Marcel MATHISSEN; Volker Scheer; Rainer Vogt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: CN106950158A; US10352854B2; US20170167975A1; DE102016224432A1

Abstract

Kraftfahrzeug (1) mit einem Streulicht-Photometer (2) zur Messung einer Partikelkonzentration in einem bestimmten Bereich des Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Streulicht-Photometer (2) in einem Radgehäuse, an einem Unterboden oder an einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs angebracht ist, wo während der Fahrt von den Rädern des Fahrzeugs aufgewirbelter und von den Bremsen des Fahrzeugs emittierter Staub tendenziell auftritt, wobei das Streulicht-Photometer (2) während der Fahrt in erster Linie den von den Rädern aufgewirbelten und von den Bremsen emittierten Staub erfasst, aber keine oder vergleichsweise wenig aus einem Auspuff des Kraftfahrzeugs emittierte Abgaspartikel, und dass das Kraftfahrzeug (1) eine Einrichtung zur Minderung von Staubaufwirbelung oder Staubemission durch die Räder oder Bremsen aufweist, welche die Messdaten des Streulicht-Photometers (2) empfängt, auf Basis der Messdaten entscheidet, ob Maßnahmen gegen die Staubaufwirbelung oder Staubemission durch die Räder oder Bremsen zu treffen sind, und gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen trifft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Streulicht-Photometer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft aber auch ein Verfahren zur Minderung von Staubaufwirbelung oder Staubemission mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
Die DE 10 2007 048 130 A1 befasst sich mit einer Vorrichtung zur Messung und Darstellung von Kraftfahrzeugdaten bzw. Umweltdaten. Bei diesen Umweltdaten handelt es sich beispielsweise um Umweltdaten, wie der aktuelle CO2- bzw. Partikel-Ausstoß. Bei dem Partikelausstoß handelt es sich aber wohl eher um Abgasemissionen, wobei dargelegt ist, dass die CO2-, CO-, Partikel- etc. Ausstoßwerte für verschiedene Gang-, Drehzahl- und/oder Lastbereiche für eine KFZ/Motorkombination ermittelbar seien, wobei überwiegend Abgaswerte ermittelt werden.
Die EP 0 756 703 B1 offenbart Streulicht-Photometer in unterschiedlichen Ausgestaltungen. Ein Ausführungsbeispiel beschreibt die Verwendung bei Rauchmeldern.
Die DE 20 2005 017 472 U1 befasst sich mit einer Bremsstaubabsorptionsanlage, wobei Partikel, die beim Bremsen erzeugt werden abgesaugt werden.
Verkehrsbezogene Partikelemissionen, die nicht aus Abgasen, sondern aus Abrieb von Bremsen, Reifen, Kupplungen, Straßenbelag usw. sowie aus Wiederaufwirbelung von Straßenstaub resultieren, tragen erheblich zu Luftverschmutzungen bei. Erwartungsgemäß werden Abgas-Partikelemissionen aufgrund strenger Grenzwerte abnehmen, doch werden die anderen verkehrsbezogenen Partikelemissionen aufgrund größeren Verkehrsvolumens zunehmen und könnten in den Fokus künftiger Regulierungen kommen. Daten des Deutschen Bundesumweltamts lassen erwarten, dass Abgas-Partikelemissionen im Jahr 2020 noch etwa 18 % aller verkehrsbezogenen Feinstaubemissionen ausmachen werden, wobei der Begriff Feinstaub die als besonders gesundheitsschädlich geltenden Partikel mit aerodynamischen Durchmessern kleiner als 10 µm bezeichnet. Die übrigen 82 % sind nicht durch Abgas, sondern durch Verschleiß verursachte Emissionen. Dies zeigt die zunehmende Bedeutung der nicht durch Abgas verursachten Partikelemissionen.
Zur Verminderung speziell von Bremsstaubemissionen kennt man Techniken wie z. B. Abschirmungen, Gebläse und Staubsammler.
Die DE 10 2010 002 424 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, nämlich mit einem Streulicht-Photometer zur Messung einer Partikelkonzentration in oder an einem Auspuff des Kraftfahrzeugs. Die Messdaten des Streulicht-Photometers werden von einer Einrichtung empfangen, welche Anpassungen zu einem Nullgas vornimmt.
Die vor dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung angemeldete, aber später veröffentlichte DE 690 09 605 T2 offenbart ein Kraftfahrzeug, welches die Merkmale des Anspruchs 1 mit Ausnahme des Streulicht-Photometers aufweist, an dessen Stelle ein Aufschlagsensordesign mit zunehmend feineren Filtern für Feinstaub verwendet wird.
Die WO 03 / 035 206 A2 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einem Staubsensor in Form eines Partikelanalysators, mit dem das von dem Kraftfahrzeug ausgestoßene Abgas während der Fahrt analysiert werden kann. Dieser Partikelanalysator, der die Partikel auch zählen können soll, ist ein sehr aufwändiges Gerät, das man nur für Testfahrten einsetzen wird.
Die US 5 517 298 A offenbart eine Vorrichtung zur Messung der Bewegung von transparenten Gasen oder Flüssigkeiten durch Beleuchten von mittransportierten kleinen festen oder flüssigen Partikeln und deren Geschwindigkeitsmessung durch Velocimetrie.
Die DE 103 29 961 A1 offenbart eine integrierte Feinstaubabsaugvorrichtung für Fahrzeuge, mit der Feinstäube aus der Umgebungsluft ausgefiltert und für wissenschaftliche Untersuchungen gesammelt werden können und die auch während des Einsammelns mit einem Aerosolspektrometer als Staubmessgerät analysiert werden können, wobei die gemessenen Daten per Funk weitergeleitet werden können.
Es wurden auch schon Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, mit denen die Umgebungsluft während der Fahrt von Feinstäuben gereinigt werden soll.
So offenbart die DE 20 2006 019 335 U1 eine Feinstaubabsaugvorrichtung für Fahrzeuge, mit der die dem Fahrzeuginnenraum zugeführte Frischluft von Feinstäuben gereinigt werden kann, mit der aber auch der Feinstaubgehalt in der Umgebungsluft reduziert werden kann, um gesetzlich vorgeschriebene Feinstaub-Grenzwerte einzuhalten.
Die DE 20 2006 004 522 U1 offenbart einen mit elektrischer bzw. magnetischer Abscheidung arbeitenden Feinstaubfilter, der zwischen Lufteinlassgrill und Kühler eines Fahrzeugs angeordnet ist, um die dort hindurchströmende Umgebungsluft von Feinstäuben zu reinigen, auch von solchen, die von anderen Fahrzeugen emittiert oder aufgewirbelt worden sind.
Die DE 20 2005 005 673 U1 offenbart einen unter einem Stoßfänger montierten Außenluftfilter für Kraftfahrzeuge zur allgemeinen Reduktion von Luftverschmutzung.
Derartige Systeme könnten Feinstaub in der Umwelt nur dann wirksam reduzieren, wenn sie in einer sehr großen Zahl von Fahrzeugen eingebaut würden, und auch der Aufwand zur Reinigung der vielen Filter bzw. zur Entsorgung der eingesammelten Stäube wäre extrem, zumal auch vergleichsweise grobe, nicht wirklich schädliche Stäube eingesammelt würden und die Filter schnell voll würden.
Die DE 10 2009 054 194 A offenbart ein Fahrzeug mit einem Head-up-Display und einer in dessen Strahlengang eingeführten Kamera, aus deren Bilddaten auch Regen oder Schmutz auf der Windschutzscheibe erkannt werden kann, und offenbart somit ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 Die JP H09 242 500 A offenbart ein Umweltmessfahrzeug mit einem auf dem Dach angeordneten Staubkonzentrationssensor und offenbart somit ebenfalls ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Staubaufwirbelung und/oder Staubemission durch Kraftfahrzeugräder bzw. -bremsen gezielter vermindern zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Aufgezeigt wird ein Kraftfahrzeug mit einem Streulicht-Photometer zur Messung einer Partikelkonzentration in einem bestimmten Bereich des Kraftfahrzeugs. Gemäß der Erfindung ist das Streulicht-Photometer in einem Radgehäuse, an einem Unterboden oder an einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs angebracht ist, wo während der Fahrt von den Rädern des Fahrzeugs aufgewirbelter und von den Bremsen des Fahrzeugs emittierter Staub tendenziell auftritt, wobei das Streulicht-Photometer während der Fahrt in erster Linie den von den Rädern aufgewirbelten und von den Bremsen emittierten Staub erfasst, aber keine oder vergleichsweise wenig aus einem Auspuff des Kraftfahrzeugs emittierte Abgaspartikel, wobei das Kraftfahrzeug eine Einrichtung zur Minderung von Staubaufwirbelung oder Staubemission durch die Räder oder Bremsen aufweist, welche die Messdaten des Streulicht-Photometers empfängt, auf Basis der Messdaten entscheidet, ob Maßnahmen gegen die Staubaufwirbelung oder Staubemission durch die Räder oder Bremsen zu treffen sind, und gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen trifft.
Bei dem Verfahren zur Minderung von Staubaufwirbelung oder Staubemission durch die Räder oder Bremsen eines Kraftfahrzeugs wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass ein Bereich des Kraftfahrzeugs, in dem während der Fahrt von den Rädern aufgewirbelter und von den Bremsen emittierter Staub tendenziell auftritt, mit einem Streulicht-Photometer überwacht wird, das so angeordnet ist, dass dieses während der Fahrt in erster Linie den von den Rädern aufgewirbelten und von den Bremsen emittierten Staub erfasst, aber keine oder vergleichsweise wenig aus einem Auspuff des Kraftfahrzeugs emittierte Abgaspartikel, und dass auf Basis der Messdaten des Streulicht-Photometers die Staubbeladung in dem Bereich des Kraftfahrzeugs abgeschätzt wird und dass im Falle, dass die Staubbeladung in dem Bereich des Kraftfahrzeugs einen Schwellenwert übersteigt, Maßnahmen zur Staubminderung getroffen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung misst das Streulicht-Photometer die Staubbeladung der Luft in einem Bereich des Kraftfahrzeugs, in dem während der Fahrt insbesondere durch die Räder bzw. Reifen aufgewirbelter und/oder von den Bremsen emittierter Staub tendenziell auftritt, d. h., in erster Linie derartige Stäube, aber keine oder eher keine aus dem Auspuff emittierten Abgaspartikel, weil das Streulicht-Photometer so angeordnet ist, dass es jedenfalls während der Fahrt kaum von irgendwelchen aus dem Auspuff austretenden Abgasen erreicht wird.
Für die Erfindung genügt ein relativ einfaches Streulicht-Photometer, das nur einen groben Schätzwert für die Staubpartikelkonzentration in dem damit beobachteten Bereich des Kraftfahrzeugs liefert. Auf Basis der Messdaten des Streulicht-Photometers kann entschieden werden, ob irgendwelche staubmindernden Maßnahmen zu treffen sind, und ggf. welche.
Die Erfindung ermöglicht es, einer sensorisch erkannten Aufwirbelung oder Freisetzung von Feinstaub durch die Räder oder Bremsen gezielt entgegenzuwirken, z. B. durch vorübergehende Einflussnahmen auf die Fahrgeschwindigkeit und/oder durch gezielte, aber vorübergehende Luftreinigungsmaßnahmen in betroffenen Bereichen. Besonders vorteilhaft ist, dass dies bereits geschehen kann, bevor irgendwelche an Straßen installierten Feinstaubsensoren eine generelle Emissionswertüberschreitung feststellen und dann z. B. die Geschwindigkeit generell beschränken.
Nach einer Studie über Straßenzustände in Mitteleuropa (http://elpub.bib.uniwuppertal.de/edocs/dokumente/fbc/chemie/diss2012/mathissen?lang=de) fällt der größte Teil der nicht durch Abgas verursachten Partikelemissionen auf nur 10 % des Straßennetzes mit besonders hohem Schmutzeintrag an. Und auch Bremsstaub wird nur in wenigen Situationen in besonders großer Menge freigesetzt.
Daher ermöglicht es die Erfindung, die Einschränkungen und den Aufwand, die mit der Verminderung von Aufwirbelung bzw. Freisetzung von Feinstaub durch Räder oder Bremsen verbunden sind, in Grenzen zu halten, weil sich diese Maßnahmen auf Phasen besonders hoher Staubaufwirbelung bzw. -emission beschränken können. Mit diesem verhältnismäßig geringen Aufwand kann ein vergleichsweise großer Nutzen für die Umwelt erzielt werden.
Das Streulicht-Photometer ist, wie bereits oben erwähnt, in einem Radgehäuse, an einem Unterboden oder an einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs angebracht, aber nicht nahe an einem Auspuff. Dadurch erfasst das Streulicht-Photometer während der Fahrt in erster Linie den von Rädern aufgewirbelten oder von Bremsen emittierten Staub, aber keine oder nur sehr wenig aus einem Auspuff des Kraftfahrzeugs emittierte Abgaspartikel, die höchstens bei Fahrzeugstillstand dorthin gelangen können. Zur besseren Unterscheidung werden im Stand oder bei sehr langsamer Fahrt einfach keine Messdaten gewonnen oder ausgewertet.
Ferner können Streulicht-Photometer und Staubminderungseinrichtungen an unterschiedlichen Stellen am Fahrzeug angebracht sein. So kann z. B. ein Photometer an einem Vorderrad nützliche Informationen für eine Staubminderungseinrichtung weiter hinten am Fahrzeug liefern.
Die von dem Streulicht-Photometer gelieferten Schätzwerte für die Staubpartikelkonzentration können gefiltert werden, um nur die stärksten Staubbelastungen zu berücksichtigen.
Die gewonnenen Daten können als Eingangsparameter für eine Einrichtung zur Staubminderung verwendet werden. Dafür kommen in Frage:

- ein als solches bekanntes wasserbasiertes Staubminderungssystem, das Wasser auf die Fahrbahn und/oder die Reifen des Fahrzeugs sprüht, jedoch nur dann, wenn hohe Staubkonzentrationen gemessen werden, so dass das dafür benötigte Wasserreservoir nicht sehr groß sein muss;
- ein als solches bekanntes elektrostatisch arbeitendes Staubminderungssystem, das ebenfalls nur aktiv wird, wenn hohe Staubkonzentrationen gemessen werden, so dass der für abgeschiedenen Staub benötigte Behälter nicht sehr groß sein muss;
- ein Staubminderungssystem basierend auf herkömmlichen Filtermedien, insbesondere Filze, Vlies, Kunstfasern, Gewebefilter oder ähnliche Medien, bei dem die Luftströmung nur über den Filter geleitet wird, wenn hohe Staubemissionen zu erwarten sind, so dass die Filterlebensdauer deutlich verlängert wird;
- eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, die den Fahrer bittet oder anregt, die Geschwindigkeit zu reduzieren, um Staubaufwirbelung zu vermindern, da diese mit der Fahrgeschwindigkeit überproportional zunimmt. Eine Anregung, die Geschwindigkeit zu reduzieren, kann z. B. nach Art von bekannten optischen Anzeigen für ökonomisches Fahren gegeben werden, wobei grün für niedrige, gelb für mittlere und rot für hohe Staubemissionen steht;
- eine Zwangs-Geschwindigkeitsbeschränkung des Fahrzeugs, falls auf Missbrauch beruhende hohe Staubkonzentrationen gemessen werden, z. B. bei zu schnellem Fahren mit Spike-Reifen;
- ein Cloud-Dienst eines Fahrzeug-Ad-hoc-Netzes für Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation, auf den die gewonnenen Daten zusammen mit Geopositionsdaten des Fahrzeugs hochgeladen werden können und der aus den gesammelten Daten sehr vieler Fahrzeuge eine Staubbelastungskarte erstellt, die eine Echtzeit-Karte des Potentials für Staubbelastung darstellt. Die auf diese Weise gewonnenen Massendaten können den Inhabern von Straßeninfrastruktur oder den dafür Verantwortlichen zur Verfügung gestellt werden, die dann geeignete Gegenmaßnahmen treffen können, z. B. lokale Geschwindigkeitsbeschränkungen für alle Fahrzeuge oder nur für Fahrzeuge ohne Staubminderungssystem festzusetzen und/oder betroffene Straßenabschnitte häufiger reinigen zu lassen.

Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs mit einem Staubsensor; und
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Minderung von Staubaufwirbelung oder Staubemission durch ein Kraftfahrzeug.

Das in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 1 weist ein Streulicht-Photometer 2 in einem Radgehäuse auf. Das Streulicht-Photometer misst die im Radgehäuse herrschende Konzentration von Staubpartikeln, die das zugehörige Rad oder ein Rad weiter vorne von einer Fahrbahnoberfläche 3 aufwirbelt oder die entsprechende Bremse abgibt.
Unter Bezugnahme auch auf 2 wird im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 mittels des Streulicht-Photometers 2 die Staubkonzentration im Radgehäuse überwacht (Schritt S1) und abgeschätzt (Schritt S2). Falls der Schätzwert für die Staubkonzentration im Radgehäuse einen Schwellenwert übersteigt, und auch nur dann, werden Maßnahmen zur Minderung von Staubaufwirbelung getroffen (Schritt S3), z. B. Staub zu binden oder auszufiltern und/oder auf eine Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs hinzuwirken.

Claims

Kraftfahrzeug (1) mit einem Streulicht-Photometer (2) zur Messung einer Partikelkonzentration in einem bestimmten Bereich des Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Streulicht-Photometer (2) in einem Radgehäuse, an einem Unterboden oder an einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs angebracht ist, wo während der Fahrt von den Rädern des Fahrzeugs aufgewirbelter und von den Bremsen des Fahrzeugs emittierter Staub tendenziell auftritt, wobei das Streulicht-Photometer (2) während der Fahrt in erster Linie den von den Rädern aufgewirbelten und von den Bremsen emittierten Staub erfasst, aber keine oder vergleichsweise wenig aus einem Auspuff des Kraftfahrzeugs emittierte Abgaspartikel, und dass das Kraftfahrzeug (1) eine Einrichtung zur Minderung von Staubaufwirbelung oder Staubemission durch die Räder oder Bremsen aufweist, welche die Messdaten des Streulicht-Photometers (2) empfängt, auf Basis der Messdaten entscheidet, ob Maßnahmen gegen die Staubaufwirbelung oder Staubemission durch die Räder oder Bremsen zu treffen sind, und gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen trifft.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten des Streulicht-Photometers (2) die Staubpartikelkonzentration in dem genannten Bereich des Kraftfahrzeugs anzeigen.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Staubminderung ein wasserbasiertes oder elektrostatisch arbeitendes oder auf herkömmlichen Filtermedien basierendes Staubminderungssystem umfasst.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Staubminderung eine Mensch-Maschine-Schnittstelle umfasst.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Minderung von Staubaufwirbelung einen Cloud-Dienst eines Netzes für Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation umfasst.
Verfahren zur Minderung von Staubaufwirbelung oder Staubemission durch die Räder oder Bremsen eines Kraftfahrzeugs (1) mit einem oder mehreren Merkmalen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich des Kraftfahrzeugs (1), in dem während der Fahrt von den Rädern aufgewirbelter und von den Bremsen emittierter Staub tendenziell auftritt, mit einem Streulicht-Photometer (2) überwacht wird (S1), das so angeordnet ist, dass dieses während der Fahrt in erster Linie den von den Rädern aufgewirbelten und von den Bremsen emittierten Staub erfasst, aber keine oder vergleichsweise wenig aus einem Auspuff des Kraftfahrzeugs emittierte Abgaspartikel, und dass auf Basis der Messdaten des Streulicht-Photometers (2) die Staubbeladung in dem Bereich des Kraftfahrzeugs (1) abgeschätzt wird (S2) und dass im Falle, dass die Staubbeladung in dem Bereich des Kraftfahrzeugs (1) einen Schwellenwert übersteigt, Maßnahmen zur Staubminderung getroffen werden (S3).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während der Fahrt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen zur Staubminderung (S3) umfassen, Staub mittels Sprühwasser zu binden oder elektrostatisch aus der Luft auszufiltern.
Verfahren nach Anspruch 6, 7, oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen zur Staubminderung (S3) umfassen, auf eine Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs (1) hinzuwirken.