XL. Internationales μ-Symposium 2023 Bremsen-Fachtagung: XL. International μ-Symposium 2023 Brake Conference 3662681668, 9783662681664, 9783662681671

Table of contents :
Vorwort
Foreword
Inhaltsverzeichnis
Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien
Zusammenfassung.
1 Einleitung
2 Kontinuierliche oder diskontinuierliche Weiterentwicklung
3 Ein wenig organische und anorganische Chemie
3.1 Organische Polymere
3.2 Anorganische Polymere
3.3 Formulierung von Bremsbelägen
3.4 Thermischer Prozessvergleich
3.5 Da gibt es noch etwas Wichtiges!
4 Verhalten der anorganischen Beläge im Prüfzyklus (exemplarisch)
4.1 Exemplarische AKM-Prüfungen und Fahrzeugtests mit gegossenen Belägen
4.2 Exemplarische AKM-Prüfungen und AMS-Test mit gepressten Belägen
5 Zusammenfassung
5.1 Ergebnisse
5.2 Ausblick
Literatur
Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon
Zusammenfassung.
1 Einführung
2 Methodik
2.1 Prüfsystem
2.2 Verwendete Aerosolmesstechnik
2.3 Bestimmung der elementaren Zusammensetzung des Bremsstaubs
3 Ergebnisse und Diskussion
3.1 Physikalische Untersuchungen
3.2 Chemische Untersuchungen
4 Zusammenfassung
Literatur
Zero Emission Drive Unit – Übersicht der Bremskonzepte
Zusammenfassung.
1 Einleitung
2 Bremskonzepte
2.1 Lamellenbremse
2.2 Hartmetallbeschichtete Bremsscheibe
2.3 Induktionshybridbremse
2.4 Referenzbremse
3 Messkonzept und Versuchsaufbau
3.1 Messtechnik
3.2 Referenzfahrzeug
3.3 ZEDU1 – Versuchsträger
3.4 Fahrzyklen
3.5 Testumgebung
4 Ergebnisse
4.1 Charakterisierung der Partikelemissionen
4.2 Einfluss der Rekuperation auf Abriebsemissionen
4.3 Einfluss der Hartmetallbeschichtung auf Abriebsemissionen
4.4 Lamellenbremse
Literatur
Unsicherheit der PM2.5 und PM10 Probenahme gemäß EN 12341 bei Messungen im Bremsenemissionslabor
Zusammenfassung.
1 Einleitung
2 Versuchsaufbau
2.1 Wägeraum
2.2 Messungen auf dem Bremsenprüfstand
2.3 Particulate Matter Source
3 Messungen nach DIN EN 12341 für die Erste Eignungsprüfung von Filtern und Wägeeinrichtungen
3.1 Allgemeiner Ansatz
3.2 Eignungstests für Filter gemäß Anhang C
4 Bestimmung des kritischen Wertes (Grad der Erkennung – LOD) für die Filterbelastung nach ISO 11843
5 Zweifache Varianzanalyse (ANOVA) und kombinierte Messunsicherheit für die Filterbelastung nach ISO 22154-7
5.1 Zwei-Wege ANOVA
5.2 Erweitertes kombiniertes Unsicherheitsniveau
6 Beschränkungen und Quellen von Unsicherheiten dieser Studie
7 Schlussfolgerungen
Literatur
Studie über die Tribologie von Reibmaterialien für Bremsbeläge bei niedrigen Drücken: Kopplung mit Graugussscheiben vs. Hartbeschichtungen
Zusammenfassung.
Künstliche Intelligenz für Reibungsbremsen: Anwendungen und Potenziale
Zusammenfassung.
1 Daten und deren Analyse
1.1 Explorative Studien
1.2 Datenbasierte Modelle und Künstliche Intelligenz
2 Anwendungsfälle: KI in der Bremsenentwicklung
2.1 NVH-Geräuschdetektion
2.2 Verhaltensvorhersage und virtuelle Erprobung
2.3 Reibungs-, Verschleiß- und Temperaturmodelle
2.4 Emulation subjektiver Bewertungen
3 KI-Potenziale und Trends in der Bremsenentwicklung
3.1 Stärkere Individualisierung
3.2 Sharing-Angebote
3.3 Kürzere Entwicklungszyklen
3.4 Starke Begrenzung der Bremspartikel-Emissionen
4 Best Practises – Schritte zu einer erfolgreichen Integration von datenbasierten Methoden
4.1 Daten sind das neue Öl
4.2 Elektrifizierte Fahrzeuge
4.3 Datenformate
5 Zusammenfassung
Literatur
Time for a Model Change – Inorganic Friction Materials
Abstract.
1 Introduction
2 Continuous or Discontinuous Development
3 A Little bit of Organic and Inorganic Chemistry
3.1 Organic Polymers
3.2 Inorganic Polymers
3.3 Brake Pad Formulation
3.4 Thermal Process Comparison
3.5 There is one more Important Thing!
4 Behavior of Inorganic Brake Pads during Test Cycles (Example)
4.1 Exemplary AKM Tests and Vehicle Tests with Cast Pads
4.2 Exemplary AKM Tests and AMS Test with Pressed Pads
5 Summary
5.1 Results
5.2 Outlook
References
Particulate Matter Emissions from Metro Brakes using the Example of the Lisbon Metro
Abstract.
1 Introduction
2 Methods
2.1 Test System
2.2 Applied Aerosol Measurement Techniques
2.3 Determination of the Elemental Composition of the Brake Dust
3 Results and Discussion
3.1 Physical Analyses
3.2 Chemical Analyses
4 Summary
References
Zero Emission Drive Unit – Overview of the Braking Concepts
Abstract.
1 Introduction
2 Brake Concepts
2.1 Multi-disc Brake
2.2 Tungsten Carbide Coated Brake Disc
2.3 Induction hybrid brake
2.4 Reference Brake
3 Measurement Concept and Experimental Set-up
3.1 Metrology
3.2 Reference vehicle
3.3 ZEDU1 – Experimental Vehicle
3.4 Driving Cycles
3.5 Test Environment
4 Results
4.1 Characterization of Particulate Emissions
4.2 Influence of Recuperation on Abrasion Emissions
4.3 Influence of Carbide Coating on Abrasion Emissions
4.4 Multi-disc Brake
References
Uncertainty of PM2.5 and PM10 Sampling per EN12341 Applied to Brake Emissions Lab Measurements
Abstract.
1 Introduction
2 Experimental Setup
2.1 Weighing Room
2.2 Brake Dynamometer Measurements
2.3 Particulate Matter Source
3 Measurements per DIN EN 12341 for Initial Suitability Test for Filters and Weighing Facilities
3.1 General Approach
3.2 Suitability Tests for Filters per Annex C
4 Determination of the Critical Value (Level of Detection – LOD) for Filter Load per ISO 11843
5 Two-Way Analysis of Variance (ANOVA) and Combined Measurement Uncertainty for Filter Load per ISO 22154-7
5.1 Two-Way ANOVA
5.2 Expanded Combined Uncertainty
6 Limitations and Sources of Uncertainties of this Study
7 Conclusions
References
Study of the Tribology at Low Pressures of Friction Materials for Brake Pads: Coupling with Gray Cast Iron Discs vs Hard Coatings
Abstract.
1 Upcoming European Vehicle Emission Regulation
1.1 Hard Metal Coated Rotors
1.2 Tribological Aspects
2 Experimental Section
2.1 Friction Material Samples for Tribometer
2.2 Rotor Samples
2.3 Tribometer
2.3.1 Tribometer vs Dyno Bench.
2.3.2 Test Protocol.
2.4 Microscopy
2.4.1 SEM-EDX
2.5 Profilometry
3 Results and Discussion
3.1 Dynamometer Results
3.2 Tribometer Results
3.3 Tribofilm Analysis
4 Conclusions
References
Artificial Intelligence for Friction Brakes: Applications and Potentials
Abstract.
1 Data Analysis
1.1 Explorative Studies
1.2 Databased Modeling and Artificial Intelligence
2 Applications: AI in the Brake System Development
2.1 NVH Noise Detection
2.2 Behavior Prediction and Virtual Testing
2.3 Friction, Wear, and Temperature Modeling
2.4 Emulation of Subjective Ratings
3 AI Potentials and Trends in Brake Development
3.1 Increased Individualization
3.2 Sharing Services
3.3 Shorter Development Cycles
3.4 Strong Limitation of Brake Particulate Emissions
4 Best Practises – Steps to a Successful Integration of Data-based Methods
4.1 Data is the New Oil
4.2 Electrified Vehicles
4.3 Data Formats
5 Conclusion
References
Autorenverzeichnis

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Proceedings

Ralph Mayer Hrsg.

XL. Internationales μ-Symposium 2023 Bremsen-Fachtagung XL. International μ-Symposium 2023 Brake Conference

Proceedings

Ein stetig steigender Fundus an Informationen ist heute notwendig, um die immer komplexer werdende Technik heutiger Kraftfahrzeuge zu verstehen. Funktionen, Arbeitsweise, Komponenten und Systeme entwickeln sich rasant. In immer schnelleren Zyklen verbreitet sich aktuelles Wissen gerade aus Konferenzen, Tagungen und Symposien in die Fachwelt. Den raschen Zugriff auf diese Informationen bietet diese Reihe Proceedings, die sich zur Aufgabe gestellt hat, das zum Verständnis topaktueller Technik rund um das Automobil erforderliche spezielle Wissen in der Systematik aus Konferenzen und Tagungen zusammen zu stellen und als Buch in Springer.com wie auch elektronisch in Springer Link und Springer Professional bereit zu stellen. Die Reihe wendet sich an Fahrzeug- und Motoreningenieure sowie Studierende, die aktuelles Fachwissen im Zusammenhang mit Fragestellungen ihres Arbeitsfeldes suchen. Professoren und Dozenten an Universitäten und Hochschulen mit Schwerpunkt Kraftfahrzeug- und Motorentechnik finden hier die Zusammenstellung von Veranstaltungen, die sie selber nicht besuchen konnten. Gutachtern, Forschern und Entwicklungsingenieuren in der Automobil- und Zulieferindustrie sowie Dienstleistern können die Proceedings wertvolle Antworten auf topaktuelle Fragen geben. Today, a steadily growing store of information is called for in order to understand the increasingly complex technologies used in modern automobiles. Functions, modes of operation, components and systems are rapidly evolving, while at the same time the latest expertise is disseminated directly from conferences, congresses and symposia to the professional world in ever-faster cycles. This series of proceedings offers rapid access to this information, gathering the specific knowledge needed to keep up with cutting-edge advances in automotive technologies, employing the same systematic approach used at conferences and congresses and presenting it in print (available at Springer.com) and electronic (at Springer Link and Springer Professional) formats. The series addresses the needs of automotive engineers, motor design engineers and students looking for the latest expertise in connection with key questions in their field, while professors and instructors working in the areas of automotive and motor design engineering will also find summaries of industry events they weren’t able to attend. The proceedings also offer valuable answers to the topical questions that concern assessors, researchers and developmental engineers in the automotive and supplier industry, as well as service providers.

Ralph Mayer (Hrsg.)

XL. Internationales μ-Symposium 2023 Bremsen-Fachtagung XL. International μ-Symposium 2023 Brake Conference

Hrsg. Ralph Mayer Professur Fahrzeugsystemdesign TU Chemnitz Ingolstadt, Bayern, Deutschland

ISSN 2198-7432 ISSN 2198-7440  (electronic) Proceedings ISBN 978-3-662-68166-4 ISBN 978-3-662-68167-1  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-68167-1 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2023 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gastautoren: Klaus Dieter Lorenzen und Hanno Dettlof Verantwortlich im Verlag: Markus Braun Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany Das Papier dieses Produkts ist recyclebar.

Vorwort

Liebe Teilnehmer am µ-Symposium 2023, werte Leser unseres Tagungsbands,

turnusgemäß treffen wir uns wieder Ende Oktober 2023 zu unserer Traditionsveranstaltung mit sechs Vorträgen, intensiven Diskussionen und fachlichen Austausch innerhalb der Bremsen-Gemeinschaft. Dieses seit Jahrzehnten etablierte und von den Teilnehmern geschätzte Format des µ-Clubs wurde maßgeblich von meinem Vorgänger geprägt. Im April dieses Jahres verstarb Prof. Dr.-Ing. Bert Breuer im 88. Lebensjahr. Mit ihm verliert die Fachwelt einen anerkannten Wissenschaftler der Fahrzeugtechnik, der sich ehrenamtlich für das Zusammenwirken der Ingenieure als Vorsitzender in der Fachgesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik im VDI (Verein Deutscher Ingenieure) und auch international als Präsident der FISITA (Fédération Internationale des Sociétés d'Ingénieurs des Techniques de l’Automobile) engagiert hat. Kollege Breuer bleibt uns menschlich wie fachlich ein Vorbild. In diesem Jahr widmen wir uns neuer Methodik in Forschung, Herstellung und Versuch sowie aufgrund unveränderter Aktualität dem Umweltverhalten von Bremssystemen. Im tribologischen Verhalten stellt der Belag ein Parameter dar, der auch mittels alternativer Herstellroute von anorganischen Material zum Einsatz kommen kann (LiqFric). Mit der Analyse von Feinstaubemissionen aus U-BahnBremsen am Beispiel der Metro Lissabon wird die Betrachtung über die Grenzen der Straßenfahrzeuge hinaus erweitert (IUTA). Die ganzheitliche Betrachtung von Fahrzeugemissionen und deren Minimierung wird im Projekt Zero Emission Drive Unit verfolgt (DLR). Besonderheiten bei normgerechter PM2.5- und PM10-Probennahmen (Link Engineering Company) werden ebenso erläutert wie die Tribologie von Reibmaterial bei niedrigen Drücken im Einsatz mit Grauguss gegenüber Hartmetallbeschichtung (ITT). Nicht nur im technischen Umfeld gibt es kaum einen Bereich, der nicht von einer Verschiebung bisheriger Wissensgrenzen durch KI-basierte Lösungsansätze betroffen sein kann. Übertragen auf die Bremsentechnik behandelt der Abschlußvortrag Künstliche Intelligenz für Reibungsbremsen das aktuelle Thema (TU Berlin). Das µ-Symposium wird durch die Unterstützung mehrerer Partner ermöglicht. Für die Tagung 2023 engagierten sich Brembo SGL Carbon, ITT, Link, NOF Metal Coatings und TMD Friction. Im Namen aller Teilnehmer: herzlichen Dank für Ihren Beitrag! Sie ermöglichen damit die Teilnahme an der Tagung zu attraktiven Konditionen und den genarationenübergreifenden Charakter mit Stimmen langgedienter Spezialisten und gleichermaßen den Berufseinsteigern.

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Vorwort

Für die Organisation des µ-Symposiums 2023 nutzten wir die professionelle Erfahrung der Gesellschaft für Wissens- und Technologietransfer GWT. Stellvertretend für das Team bedanke ich mich bei Frau Jana Ulber für die Unterstützung sowie bei meinen Mitarbeitern Falko Wagner und Michael Sanne. Im Namen der Organisatoren und Referenten wünsche ich Ihnen eine interessante Tagung und informative Lektüre! Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ralph Mayer

Foreword

Dear participants in the µ symposium 2023, dear readers of our conference proceedings,

we will meet again at the end of October 2023 for our traditional event with six lectures, intensive dialogue and professional discussions within the brake community. This format of the µ club, which has been established for decades and is appreciated by the participants, was largely shaped by my predecessor. In April of this year, Prof. Dr.-Ing. Bert Breuer passed away at the age of 87. With his death, the professional world loses a recognized scientist of automotive engineering, who was honorary committed to the cooperation of engineers as chairman of the Society of Automotive and Transport Engineers in the VDI (Verein Deutscher Ingenieure, association of German engineers) and also internationally as president of FISITA (Fédération Internationale des Sociétés d’Ingénieurs des Techniques de l’Automobile). Colleague Breuer remains a role model for us, humanly and as well professionally. This year we are looking at new methods in research, production and testing, as well as the environmental behaviour of braking systems due to unchanged topicality. In tribological behaviour, the lining represents a parameter that can also be used by an alternative manufacturing route of inorganic material (LiqFric). With the analysis of particulate emissions from metro brakes using the example of the Lisbon metro, the consideration is extended beyond the limits of road vehicles (IUTA). The holistic consideration of vehicle emissions and their minimization is being studied in the Zero Emission Drive Unit project (DLR). Special features of standard-compliant PM2.5 and PM10 sampling (Link Engineering Company) are explained, as is the tribology of friction material at low pressures in use with grey cast iron versus hard metal coating (ITT). Not only in the technical environment is there hardly any area that cannot be affected by a shift in previous knowledge limits through AI-based approaches. Applied to brake technology, the final lecture Artificial Intelligence for Friction Brakes deals with the current topic (TU Berlin). The µ-Symposium is made possible by the support of several partners. Brembo SGL Carbon, ITT, Link, NOF Metal Coatings and TMD Friction are committed to the 2023 conference. On behalf of all participants: thank you very much for your donation! With your contribution, you make it possible for us to participate in the conference at attractive conditions and to have a cross-genre character with the opinions of long-serving experts as well as those just starting out in their careers.

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Foreword

For the organisation of the µ-Symposium 2023 we used the professional experience of the Gesellschaft für Wissens- und Technologietransfer GWT. On a representative basis for her team, I would like to thank Ms Jana Ulber for her support as well as my co-workers Falko Wagner and Michael Sanne. On behalf of the organizers and speakers, I wish you attending an interesting conference and informative reading! Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ralph Mayer

Inhaltsverzeichnis

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien. . . . . . . . . . . . . . 1 Roman Milczarek und Niels Wittig Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon. . . 18 Maximilian Weissbuch, Simon Schastok, Jörg Lindermann, Ana Maria Todea, Sven Limberger, Heiko Böker, Stefanos Agathokleous, Teresa Moreno, Christine Kube, Tomé Canas, Stefan Schumacher, und Christof Asbach Zero Emission Drive Unit – Übersicht der Bremskonzepte. . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Franz Philipps, Linda Bondorf, und Sven Reiland Unsicherheit der PM2.5 und PM10 Probenahme gemäß EN 12341 bei Messungen im Bremsenemissionslabor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Carlos Agudelo, Hartmut Niemann, Frederik Weis, und Alejandro Hortet Studie über die Tribologie von Reibmaterialien für Bremsbeläge bei niedrigen Drücken: Kopplung mit Graugussscheiben vs. Hartbeschichtungen. . . . . . . . . . 84 A. Sin, U. Passarelli, C. Di Di Giovanni, S. Balestra, und V. Iodice Künstliche Intelligenz für Reibungsbremsen: Anwendungen und Potenziale . . . 85 Merten Stender Time for a Model Change – Inorganic Friction Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Roman Milczarek and Niels Wittig Particulate Matter Emissions from Metro Brakes using the Example of the Lisbon Metro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Maximilian Weissbuch, Simon Schastok, Jörg Lindermann, Ana Maria Todea, Sven Limberger, Heiko Böker, Stefanos Agathokleous, Teresa Moreno, Christine Kube, Tomé Canas, Stefan Schumacher, and Christof Asbach Zero Emission Drive Unit – Overview of the Braking Concepts. . . . . . . . . . . . . 131 Franz Philipps, Linda Bondorf, and Sven Reiland Uncertainty of PM2.5 and PM10 Sampling per EN12341 Applied to Brake Emissions Lab Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Carlos Agudelo, Hartmut Niemann, Frederik Weis, and Alejandro Hortet

ix

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Inhaltsverzeichnis

Study of the Tribology at Low Pressures of Friction Materials for Brake Pads: Coupling with Gray Cast Iron Discs vs Hard Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 A. Sin, U. Passarelli, C. Di Giovanni, S. Balestra, and V. Iodice Artificial Intelligence for Friction Brakes: Applications and Potentials. . . . . . . . 190 Merten Stender Autorenverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien Roman Milczarek(*) und Niels Wittig LF GmbH & Co. KG, Marie-Curie-Straße 8, 51377 Leverkusen, Deutschland [email protected]

Zusammenfassung.  Der nachfolgende Artikel möchte dem Leser aufzeigen, dass alternative Reibbelag-Formulierungen auf Basis anorganischer Binder neue, zukunftsfähige Reibbelagmaterialien entstehen lassen können. Erste charakterisierende Prüfungen der neuen Materialien geben einen Überblick über die Fähigkeiten. Besonders die Aspekte der Hochtemperaturstabilität in den Fading-Tests des AKM- und des AMS-Tests, als auch die Reduktion der PM10-Emissionen im Vergleich mit klassischen organischen Reibmaterialien lassen diese Materialien besonders interessant erscheinen. Zukünftig wird das Energieeinsparungspotenzial dieser Belagart von besonderem Interesse sein, wenn Nachhaltigkeitsgedanken unsere Entwicklungstätigkeit zusätzlich beeinflussen werden. Schlüsselwörter:  Anorganische Reibmaterialien · Reibwert-Prüfungen · Partikel-Emissionen · energiearme Fertigung und Prozesse · Nachhaltigkeit

1 Einleitung Für die Herstellung von Bremsbelägen werden signifikante Mengen an Energie in Form von Wärme zum Aushärten sowie für den hydraulischen Druck in Pressen und in Form von Elektrizität in anderen Fertigungsaggregaten bis zum fertig lackierten organisch-gebundenen Bremsbelag (OFM – Organic Friction Materials) benötigt. Der eigentliche energieintensive Fertigungsprozess startet nach dem Herstellen der Mischung mit dem Pressen der Beläge mit Drücken von 3–9 kN/cm2 und Temperaturen von 160–190 °C. Das Aushärten der auf Phenolharz basierenden „grünen Beläge“ findet normalerweise bei Temperaturen von 160–280 °C statt. Nach dem Schleifen auf das Endmaß werden die Beläge im Falle von PKW-Anwendungen bei ca. 520–550 °C gescorched, um anschließend in einer Pulverbeschichtung bei Temperaturen bis von 150–180 °C lackiert zu werden. Nach der Komplettierung mit Shims und Zubehör ist der PKW-Bremsbelag fertig für den Einsatz im Fahrzeug [1]. Das heutige wiederholte Aufwärmen und Abkühlen der Beläge, das in dieser Anwendung natürlich auch die aus Stahl gefertigte Rückenplatte betrifft, muss sich der Frage stellen, wie dieser Energieeinsatz drastisch gesenkt werden kann, vor

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2023 R. Mayer (Hrsg.): IµSBC 2023, Proceedings, S. 1–17, 2023. https://doi.org/10.1007/978-3-662-68167-1_1

2    R. Milczarek und N. Wittig

dem Hintergrund der Nachhaltigkeit und des sparsamen Einsatzes von Energie und Prozesswärme. Auch auf diese Frage versucht dieser Artikel Antworten zu geben. Darüber hinaus bewegt uns die Problematik der Feinpartikel-Emissionen im Rahmen der kommenden EURO 7-Regulierung ganz erheblich.

2 Kontinuierliche oder diskontinuierliche Weiterentwicklung Heutige Reibmaterialien basieren neben den reibaktiven Substanzen, Gerüstbausteinen sowie aktiven und nicht aktiven Füllstoffen auf Phenolharzen und deren Derivaten als organische Bindesysteme. Diese sind im Wesentlichen für das sichere Zusammenhalten der verschiedenen Inhaltsstoffe und deren funktionsgerechte Dosierung im Bremsvorgang verantwortlich. Sie bedingen aber auch die thermischen Prozesse wie zuvor beschrieben (Abb. 1).

Abb. 1.  Diskontinuierliche Entwicklung der Reibbelagperformance

Reibbeläge mit ihren hohen Sicherheitsstandards haben neben den klassischen stabilen Reibwerten in einem weiten Temperaturbereich vielfältige Anforderungen zu erfüllen. Neue zusätzliche Rahmenbedingungen ergeben sich aus den Fragestellungen der Elektromobilität, dem sogenannten „brake blending“ von Battery-ElectricVehicles (BEV), der Feinpartikelemissionen (EURO 7) [2], sowie der Energieoptimierten Produktion und deren Nachhaltigkeitsansprüchen für die Zukunft. Ist die Phenolharz-Basis der existierenden Beläge weiter optimierbar wie in den letzten Jahrzehnten oder bedarf es eines neuen Ansatzes auf Basis anorganischer Bremsbeläge (IFM)? Hierzu benötigen wir einen kleinen Exkurs in die Chemie und deren Potential an möglichen nutzbaren Lösungsansätzen.

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien    3

3 Ein wenig organische und anorganische Chemie 3.1 Organische Polymere Aus Phenol, als Namensgeber dieser Chemie, werden unter sauren Reaktionsbedingungen unter Hinzugabe von Formaldehyd und Wärme in einer Kondensationsreaktion sogenannte Resole gebildet (Abb. 2).

Abb. 2.  Chemie der Phenole, Resolbildung [3]

Diese Resole können mit weiterem Formaldehyd zu Phenolharzen weiterreagieren und dreidimensionale Netzwerkstrukturen ausbilden (Abb. 3).

Abb. 3.  Chemie der Phenole, Phenolharzbildung [3]

Diese Resole und Phenolharze sind reaktiv und können unter Druck und Temperatur sowie Einbindung der Reibbelag-spezifischen Rohstoffe zu nahezu formund temperatur-stabilen Reibbelägen verpresst werden. Ein Großteil der heutigen Bremsbeläge für PKW- und LKW-Anwendungen basiert auf diesem HerstellungsPrinzip [1].

4    R. Milczarek und N. Wittig

3.2 Anorganische Polymere Vorweg, es gibt eine Vielzahl von anorganischen Polymeren, die sich durch eine hohe thermische Beständigkeit auszeichnen. Wir beschränken uns hier aber auf Basischemikalien wie Aluminium- und Siliziumoxide oder Rohstoffe, die diese Vorprodukte enthalten, deren Reaktionsverhalten seit den 1970er Jahren in der Forschung starke Beachtung fanden [4]. Siliziumdioxid- und Aluminiumoxid-haltige Vorstufen werden mit hochalkalischer Lauge aufgeschlossen und reagieren zu drei- und vierkernigen Ringmolekülen (Abb. 4).

Abb. 4.  Aktivierung der anorganischen Reaktanden, Bildung von ortho-Sialaten [4]

In einer Kondensationsreaktion, ähnlich der des zuvor genannten Phenols, reagieren diese Vorstufen zu drei-dimensionalen anorganischen Polymer-Netzwerken, ebenfalls in wässriger Phase. Diese Netzwerke können im trockenen Zustand nachweislich Temperaturen bis 1.100 °C ohne Schädigung überstehen (Abb. 5).

Abb. 5.  Reaktion von ortho-Sialaten zum anorganischen Polymer [4, 5]

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien    5

Früh hat man sich die Frage gestellt, ob diese und ähnliche dreidimensionale Netzwerke anorganischer Natur bei der Herstellung von Bremsbelägen eingesetzt werden können, da sie über eine deutlich höhere thermische Beständigkeit als organische Bremsbeläge mit Phenolharzen verfügen [6, 7]. 3.3 Formulierung von Bremsbelägen Neben den zuvor beschriebenen phenolischen und anorganischen Bindern, die allein keinerlei bremsentechnische Bedeutung hätten, werden die reibaktiven Substanzen, Schmierstoffe, Füllstoffe (aktive und inerte) zugemischt, um die entsprechenden Eigenschaften zu erhalten. Exemplarisch ist eine solche Rezeptur (low-steel) in der nachstehenden Abb. 6 dargestellt [1].

Abb. 6.  Organische (OFM)- und anorganische (IFM) Reibmaterial-Formulierungen frei nach [1]

In unseren Versuchen haben wir festgestellt, dass es wichtig ist zu überprüfen, welche der einzusetzenden Reibmaterial-Bestandteile mit dem Bindesystem harmonisiert werden können und ob und in welchem Ausmaß die reibtechnischen Eigenschaften der anorganischen Compounds den der organischen Compounds gleichen bzw. ob sie gleichwertig formuliert werden können. Generell kann gesagt werden, dass die gleichen Rohstoffe in den meisten Fällen in den organischen und anorganischen Compounds verwendet werden können. Die Kunst liegt jedoch darin, neue Optima für die einzelnen Rezepturbestandteile zu finden. Vorteilhaft erscheint bei dem anorganischen System die niedrige Aktivierungsenergie zur Vernetzung des Systems und darüber hinaus, dass es sowohl klassisch gepresst als auch gegossen werden kann. Gemeinsam führt dies zu einem signifikanten Energie-Einsparungspotenzial bei der Herstellung der Reibbeläge (Abb. 7).

6    R. Milczarek und N. Wittig

Abb. 7.  Schematischer Prozess-Vergleich: Organischer- vs. anorganischer Belag

Die obige Abbildung zeigt die skizzierte Herstellung eines Bremsbelags auf klassischer Phenolharzbasis sowie auf Basis von anorganischem Polymer. Des Weiteren zeigt sie einen Vergleich der Prozessparameter. Je nach gewählter Zusammensetzung des Compounds und des Fertigungsverfahrens lassen sich die anorganischen Compounds als gießfähige hochviskose Materialien oder aber auch nahezu trocken in bestehenden Pressensystemen verarbeiten. 3.4 Thermischer Prozessvergleich Für die Wärmebilanz der Herstellung von Bremsbelägen müssen wir uns der Implikationen aus den thermischen Prozessen der Belag-Herstellung, wie auch des Aufbaus des Bremsbelags bewusst sein. Betrachten wir hier klassische Scheibenbremsbeläge für PKW und LKW, so wird ca. 50 % der Reibbelagmasse durch seine Stahlrückenplatte eingebracht, ohne hierbei die Stahlfaser-Inhalte des Belages an sich zu betrachten. Auch diese Rückenplatten nehmen im Herstellungsprozess signifikante Anteile der für den Reibbelag wichtigen Energie auf, ohne dass diese für den Herstellungsprozess nötig wäre (Tab. 1).

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien    7 Tab. 1.  Energieverbrauchsvergleich konventionelle OFM- vs. IFM-Fertigung

Die Tabelle zeigt sehr eindrücklich auf, wie signifikant die Einsparungspotenziale für anorganische, bei niedrigen Temperaturen vernetzende, Polymere sein können. Interne Kalkulationen auf Basis verschiedener Belagtypen haben gezeigt, dass sich diese Einsparungen von 50–85 %, im Vergleich mit den phenolharzgebundenen Systemen, bewegen können. 3.5 Da gibt es noch etwas Wichtiges! Im Falle der flüssigen Fertigungsvariante von anorganischen Reibbelag-Compounds ist es möglich, während des Gießprozesses elektronische Bausteine in den Belag zu integrieren, weil deren Aushärtebedingungen sowie die drucklose Fertigung die Elektronik nicht zerstören. Mit Piezosensoren ausgestattete Beläge konnten wir auf einem Schwungmassen-Prüfstand testen und deren Verhalten analysieren. In gemeinsamen Versuchen mit einem namhaften OEM, waren wir in der Lage, PiezoSensoren in Vorderachsen-Bremsbelägen einzubetten und das Verhalten der Beläge / Bremse messtechnisch zu erfassen, siehe Abb. 8 [8]. Neben Piezosensoren bieten sich auch NFC-, PT100- und Gyro-Sensoren für verschiedene Fragestellungen an.

Abb. 8.  Integration von Piezo-Sensorik in Bremsbelag

8    R. Milczarek und N. Wittig

4 Verhalten der anorganischen Beläge im Prüfzyklus (exemplarisch) Die reibtechnischen Prüfungen für Bremsbeläge sind standardisierte Prüfvorschriften und Prüfprozesse, um eine Vergleichbarkeit der gemessenen Eigenschaften sichern zu können und Grenzwerte für deren Einsetzbarkeit zu definieren. Wir beschränken uns hier exemplarisch auf AKM (SAE J2522) GG25, TL110, AMS sowie die physikalische Charakterisierung der Beläge. 4.1 Exemplarische AKM-Prüfungen und Fahrzeugtests mit gegossenen Belägen In den ersten Compoundierungs-Schritten mussten wir zwar bei niedrigen Anpressdrücken mit hohen Reibwerten kämpfen und anderen Phänomenen, die den gegossenen Belag charakterisierten, aber wir konnten bereits zu Beginn feststellen, dass die Beläge so eingestellt werden können, dass sie im „Bedding-Prozess“ schnell das geforderte Reibwertniveau erreichen (Abb. 9).

Abb. 9.  AKM (SAE J2522) GG25, erster Prüfungsabschnitt, anorganischer Reibbelag

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien    9

10    R. Milczarek und N. Wittig

Im ersten Fading-Test war zu beobachten, dass die Beläge bei den auftretenden hohen Scheibentemperaturen gute Reibwertstabilitäten zeigten. Auch im zweiten Fading-Test verschlechterte sich das Verhalten nicht deutlich, siehe nachfolgende Abb. 10.

Abb. 10.  AKM (SAE J2522) GG25, zweiter Prüfungsabschnitt, anorganischer Reibbelag

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien    11

12    R. Milczarek und N. Wittig

Weitere Iterationen waren notwendig, um das Reibbelagkonzept auf ein dem heutigen Standard für Reibverhalten entsprechendes Niveau zu bringen. Als Ziele waren eine gute In-Stop-Performance, ein akzeptables Fade-Level, sowie ein besserer Scheiben- und Belagverschleiß als bei den ersten Versuchen vorgegeben. Darüber hinaus wurde von unserem Projektpartner auch eine gute Performance in der sogenannten „Recovery“ und bei der Autobahnfahrt gewünscht (Abb. 11).

Abb. 11.  AKM (SAE J2522) GG25, anorganischer Reibbelag, Optimierungsversuch

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien    13

14    R. Milczarek und N. Wittig

Das obige Materialkonzept wurde ebenso in einer Prüfsequenz bezüglich BEVs getestet und zeigte einen guten bis akzeptablen Prüfungsverlauf. Bei den physikalischen Prüfungen fallen bei den gegossenen Belägen die niedrigen Kompressibilitäts-Werte auf. Außerdem wird beim Durchgang durch einen ersten Wärmezyklus ein irreversibles Schrumpfen der Beläge beobachtet. Darüber hinaus ist die Porosität bei gegossenen Belägen höher und die Dichte niedriger als bei organischen gepressten Belägen, je nach Füllstoffart und -anteil. Dies führt summarisch betrachtet zu einem um ca. 10 % reduzierten Gesamtgewicht gegenüber Standard-Belägen auf Phenolharzbasis (Abb. 12).

LIQFRIC®-casted pads on vehicle rear axle Test

Liqfric

Compress RT

[μm]

50 - 90

Compress 400°C

[μm]

78

Hardness

[-]

37 -90 [HRR]

Porosity

[%]

35 -43

Density

[g/cm3]

1,70-2,5

Swelling 350°C

[mm]

-0.034

Vehicle test* 3.0 kHz Wire brush 100°C Creep groan Wet Creep groan Wet rear only

Creep groan dry

LIQFRIC 10 7 9 8 9 6 9 7 8 10

* Vehicle Seat IBIZA, ZF CI38 14“ (approx. 800 km)

Abb. 12.  Physikalische Werte (Auszug) und Erprobung in einem Fahrzeug

Eine Überprüfung der wesentlichen Parameter im Fahrzeug zeigte auf dem gewählten Versuchsfahrzeug akzeptable Werte, wobei nur ein Wert – creep grown wet – das gute Gesamtrating eintrübte. 4.2 Exemplarische AKM-Prüfungen und AMS-Test mit gepressten Belägen Der anorganische Binder wurde ebenfalls für eine Pressmischung verwendet, um dessen Universalität in Bezug auf Gieß-, Extrusion- und Pressenfertigung zu testen. Wichtig ist hier die Aussage, dass das Compound für diesen Herstellungs-Prozess anders aufgebaut werden muss, um eine gleichartige Performance zu zeigen. Diese Versuche wurden in allen Fällen bei Temperaturen unter 100 °C jedoch bei klassischen Pressdrücken gefahren. Eine gute Ausgangsbasis für gepresste anorganische Reibmaterialien konnte hier nachgewiesen werden.

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien    15

Auf Basis eines nominalen Reibwertes von 0,39 wurden nach einem stabilen Bedding ein gutes Fading 1 und Fading 2 erzielt. Damit konnte eine Grundrezeptur etabliert werden, von der aus weitere spezifische Optimierungen möglich sind (Abb. 13).

Abb. 13.  AKM (SAE J2522) GG25, gepresster anorganischer Belag

Die Verschleißprüfung zeigt bis 400 °C gute bis akzeptable Werte für den Belagund den Scheibenverschleiß. Jenseits dieser Temperaturgrenze mussten wir anfänglich oxidativen Verschleiß beobachten. Eine Optimierung für den Temperaturbereich von 400–600 °C ist zwischenzeitlich mit guten Resultaten weitergeführt worden, siehe Abb. 14.

Abb. 14.  Verschleiß- (TL110) und AMS-Prüfung, gepresster anorganischer Belag

Der mit dem gleichen Compound durchgeführte AMS-Test zeigte über den gesamten Temperaturbereich eine stabile Performance mit einem niedrigen Einfluss der Scheibentemperatur auf den Reibwert. Eine leichte Erhöhung der Reibwerte scheint unkritisch und durchaus praktikabel.

16    R. Milczarek und N. Wittig

5 Zusammenfassung 5.1 Ergebnisse Folgendes konnten wir in unseren Projekten mit unseren Projektpartnern einbringen und nun als gesicherte Erkenntnisse weitergeben: • Das von uns verwendete anorganische Polymer ist in Form der ausgehärteten Reibbelagcompounds mechanisch stabil bis ca. 800 °C (unsere Testgrenze). • Das Polymer an sich verträgt Temperaturen bis 1100 °C. • In den anorganischen Compounds können, in den meisten Fällen, die gleichen Rohstoffe wie bei organischen Systemen Anwendung finden, vorherige Rohstofftests sind empfehlenswert. • Anorganische Reibmaterialcompounds können gegossen, extrudiert und gepresst werden. Auf Basis des Gießprozesses ergeben sich erhebliche Freiheitsgrade bezüglich des Belagdesigns. • Niedrige Aushärtetemperaturen und die Eliminierung der hydraulischen Pressen kann zu einer Energieeinsparung von bis zu 85% im Herstellungsprozess führen. • Wegen der zum Teil geringeren Dichte ergeben sich Gewichtseinsparungen von durchschnittlich 10 %. • Wie wir mit einem Projektpartner erarbeiten und publizieren konnten, emittieren gegossene Bremsbeläge Feinstaubpartikel erst ab ca. 60–80  °C über der Temperatur, bei der Phenolharz-basierende Materialien mit der Emission von Feinstaubpartikeln beginnen [9]. • Darüber hinaus zeigten weiterführende Versuche, dass die PM10-Emissionen um ca. 40 % und PN-Emissionen um ca. 65 % unterhalb der Werte eines ReferenzBelages (low-steel, organischer Belag) im WLTP-Prüfzyklus liegen [10]. 5.2 Ausblick Mit unseren Projektpartnern (OEM und Tier 1) arbeiten wir daran, anorganische Reibbeläge für den Serieneinsatz zu qualifizieren. Besonders vor dem Hintergrund der Feinstaubpartikelemissionen und der zunehmenden Bedeutung der Nachhaltigkeit sehen wir gute Chancen für den Einsatz dieser Materialien, nicht nur im PerformanceSegment. Zukünftig wollen wir einen starken Fokus auf die Designfreiheit legen, die der Gießprozess uns ermöglicht und erforschen, ob diese zusätzlichen Freiheitsgrade für unterschiedliche Problemstellungen Lösungsansätze bieten können. FUTURE OF FRICTION LIQFRIC® entwickelt ein neues Reibmaterial für Hochleistungsbremsen, um der Automobilindustrie dabei zu helfen, die Partikelemissionsnorm EURO 7 zu erreichen, indem es Zersetzungsprodukte von Phenolharzen eliminiert und im Vergleich zu aktuellen Materialien eine verbesserte thermische Leistung aufweist. Dank Unser besonderer Dank geht an unsere OEM- und Tier 1-Projektpartner für die Unterstützung eines Teils dieser Arbeiten, dem Verständnis für nicht-lineare

Zeit für einen Modellwechsel – anorganische Reibmaterialien    17

­rgebnisgenerierung und die unterstützende Problemlösungskompetenz. Unser E erweiterter Dank gilt den Firmen Tribotecc, Teijin und Alroko für umfängliche Rohstoffmuster. Der Firma IAG danken wir für die Unterstützung im Zusammenhang mit Versuchen zur presstechnischen Herstellung anorganischer Reibbeläge, sowie der Firma RMS für Versuche zur Recyclingfähigkeit unserer anorganischen Reibmaterialien. Darüber hinaus danke ich unseren Teammitgliedern Ute, Karsten, Ludwig, Dennis, Jürgen und Thomas für den unerschütterlichen Einsatz für dieses herausfordernde und innovative Projekt.

Literatur 1. Breuer B./Bill K. H. (2003): Bremsenhandbuch, Vieweg+Teubner Verlag Wiesbaden, S. 340–344. 2. European Commission (2022): Regulation of the European parliament and of the council on type-approval of motor vehicles and engines and of systems, components and separate technical units intended for such vehicles, with respect to their emissions and battery durability (Euro 7) and repealing Regulations (EC) No 715/2007 and (EC) No 595/2009, Annex I. 3. Wikipedia (2023): Phenoplast, URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Phenoplast, [Stand: 29.07.2023]. 4. Davidovits J. (1976): Solid phase synthesis of a mineral blockpolymer by low temperature polycondensation of alumino-silicate polymers, IUPAC International Symposium on Macromolecules Stockholm, Topic III: New Polymers of high stability. 5. North M.R. / Swaddle T.W. (2000): Kinetics of Silicate Exchange in Alkaline Aluminosilicate Solutions, in: Inorg. Chem. Nr. 39, S. 2661 - 2665. 6. MIBA FRICTEC Gesellschaft mbH (1992): EP 19910112476. 7. TMD Friction ESCO GmbH, Trocellen GmbH (2003): WO 03/004899. 8. Milczarek R./Wittig U./Dlugosch F.J./Matthias M./Brandt J.M./Wittig N. (2021): Sensorcontrolled Friction Materials based on Liquid Friction Compounds, Chip-in-Pad Concept, 39th SAE Brake Colloquium. 9. Niemann H./Winner H./Asbach C./Kaminski H./Frentz G./Milczarek R. (2020): Influence of Disc Temperature on Ultrafine, Fine, and Coarse Particle Emissions of Passenger Car Disc Brakes with Organic and Inorganic Pad Binder Materials, in: Atmosphere, Jg. 11, Nr. 10. 10. Interne vertrauliche Projektarbeit mit OEM (2022).

Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon Maximilian Weissbuch1, Simon Schastok1, Jörg Lindermann1, Ana Maria Todea1, Sven Limberger2, Heiko Böker2, Stefanos Agathokleous3, Teresa Moreno3, Christine Kube1, Tomé Canas4, Stefan Schumacher1, und Christof Asbach1(*) 1  Institut

für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e.V. (IUTA), Bliersheimer Str. 58-60, 47229 Duisburg, Deutschland [email protected] 2  TÜV Nord Essen, Adlerstraße 7, 45307 Essen, Deutschland 3  IDAEA-CSIC, C. Jordi Girona 18-26, 08034 Barcelona, Spanien 4  Metro Lisbon, Avenida Fontes Pereira de Melo 28, 1069-095 Lisboa, Portugal

Zusammenfassung.  Die gesundheitsschädigende Wirkung von Luftschadstoffen im Allgemeinen und Feinstaub im Speziellen wurde in einer Vielzahl von toxikologischen und epidemiologischen Studien nachgewiesen. Schlüsselwörter:  Bremsstaub · U-Bahn · Luftreiniger · Partikel Tracer

1 Einführung Die gesundheitsschädigende Wirkung von Luftschadstoffen im Allgemeinen und Feinstaub im Speziellen wurde in einer Vielzahl von toxikologischen und epidemiologischen Studien nachgewiesen [1–3]. Die Lancet Kommission berichtete 2018 davon, dass die Luftverschmutzung weltweit zu etwa 6,5 Mio. vorzeitigen Todesfällen führt [4] und listet sie als fünfthäufigste Todesursache [5]. Der Straßenverkehr gilt als eine Hauptquelle für Feinstaub in städtischen Umgebungen [6]. Der Anteil der Abgasemissionen ist zwar im Laufe der Jahre aufgrund motorischer Verbesserungen und der Einführung von Abgasnachbehandlungsmethoden immer weiter zurückgegangen. Im Gegensatz dazu haben die Feinstaubemissionen durch Abrieb aus Bremsen, Reifen und der Fahrbahn sowie aufgrund von Aufwirbelungen stetig zugenommen [7, 8]. Der Grund hierfür liegt neben dem zunehmenden Verkehr vor allem in der stetig wachsenden durchschnittlichen Fahrzeuggröße und –masse. Während die Überwachung der Feinstaubkonzentration in der Außenluft durch die Europäische Union in der Luftqualitätsrichtlinie 2008/50/EG vorgeschrieben ist und entsprechende Grenzwerte für PM2,5 und PM10 erlassen wurden, ist die Luftqualität in den Schächten und Bahnhöfen von U-Bahnen eine rechtliche Grauzone. Einzuhaltende Grenzwerte existieren hier nur als allgemeine © Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2023 R. Mayer (Hrsg.): IµSBC 2023, Proceedings, S. 18–40, 2023. https://doi.org/10.1007/978-3-662-68167-1_2

Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon    19

a­rbeitsplatzbezogene ­ Staubgrenzwerte und gelten nur für die dort Beschäftigten. Aufgrund der geschlossenen Umgebung einer U-Bahn mit häufig nur geringem Luftaustausch können Luftschadstoffe wie Feinstaub mit der Zeit akkumulieren. Im Vergleich zu Außenluft erhöhte Feinstaubkonzentrationen wurden bereits in vielfältigen Messungen in U-Bahnen nachgewiesen [9–11]. Anhand der chemischen Zusammensetzung der an U-Bahn-Stationen gefundenen Partikel [12] lässt sich darauf schließen, dass die Bremsen der Züge eine wesentliche Feinstaubquelle in U-Bahn-Schächten darstellen. Für Straßenfahrzeuge wurden bereits umfangreiche Untersuchungen der Bremsstaubemissionen [13, 14] durchgeführt, die u. a. gezeigt haben, dass die Größen der emittierten Partikel stark von der Bremsentemperatur abhängen [15–17]. Während bei niedrigen Temperaturen Partikel im Wesentlichen mechanisch durch Abrieb entstehen, kommt es bei erhöhter Bremsentemperatur zur Verdampfung von Belagsmaterial. Bei der anschließenden Abkühlung des Dampfes kommt es durch Nukleation zur Neubildung sehr kleiner Partikel mit Größen im einstelligen Nanometerbereich und sehr hohen Anzahl- aber nur sehr geringen Massenkonzentrationen. Die EU wird mit der Euro 7 Norm erstmals einen Grenzwert für Feinstaubemissionsfaktoren aus Pkw-Bremsen festschreiben. Für diese Messungen wurde ein standardisierbarer Aufbau entwickelt, der es erlauben soll, sowohl die partikelmassenbasierten [18] als auch die anzahlbasierten [19] Emissionsfaktoren reproduzierbar, auf Basis eines vorgegebenen Prüfzyklus [20], zu ermitteln. Dieser Aufbau sieht vor, dass die Bremse auf einem Schwungmassenprüfstand komplett eingehaust und die Einhausung mit sauberer (Kühl-) Luft durchströmt wird. Abströmseitig wird dem Gesamtstrom kontinuierlich eine Aerosolprobe entnommen und den Messgeräten zugeführt. Während es für Pkw-Bremsen bereits Ansätze zur Reduktion der Bremsstaubemissionen basierend auf Filterlösungen gibt [21, 22], ist die Exposition gegenüber Bremsstaub in U-Bahnen bisher noch nicht im Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit. Das von der EU im Rahmen des Horizon Europe geförderte Projekt AeroSolfd nimmt sich u. a. dieser Herausforderung an. Im Rahmen des Vorhabens sollen an mehreren U-Bahn-Stationen in der EU Luftreiniger installiert werden, die Luft in der jeweiligen Station ansaugen, filtern und die gereinigte Luft wieder in die Station zurückgeben. Die Luftreiniger sollen so dabei helfen, die Exposition der Passagiere und Beschäftigten gegenüber gesundheitsschädlichen Bremsstaub zu reduzieren. Die Luftreiniger filtern dabei naturgemäß nicht exklusiv Bremsstaub, sondern auch Feinstaub aus anderen Quellen. Dies ist einerseits positiv, da hierdurch die Exposition von Personen in der Nähe gegenüber Feinstaub im Allgemeinen gesenkt wird. Andererseits erschwert es aber den zur Erreichung der Projektziele erforderlichen quantitativen Nachweis der Reduktion der Bremsstaubkonzentration an den Bahnhöfen. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit sollten daher exemplarisch für die Blue Line des Projektpartners Metro Lissabon, an deren Station Alto dos Moinhos Luftreiniger installiert werden, typische Partikelgrößen sowie typische chemische Zusammensetzungen der emittierten Partikel bestimmt werden. Eine Bestimmung der

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Emissionsfaktoren war hingegen nicht nötig, sodass der Prüfaufbau im Vergleich zu den EU-Vorgaben für Pkw-Bremsen vereinfacht werden konnte. Für die Messungen an einem Schwungmassenprüfstand stellte Metro Lissabon eine baugleiche Bremse, die an den betreffenden Zügen verbaut ist, aus dem eigenen Lager zur Verfügung. Mithilfe der Erkenntnisse dieser Messungen soll später an der U-Bahn-Station in Lissabon die spezifische Reduktion von Bremsstaub durch die Luftreiniger experimentell analysiert werden.

2 Methodik 2.1 Prüfsystem Innerhalb der Untersuchungen wurden die Feinstaubemissionen einer U-BahnBremse, bestehend aus der Bremsscheibe mit zugehörigen Bremsbelägen charakterisiert. Das Prüfprogramm des Schwungmassenprüfstands bildet das reale Streckenprofil der Blue Line der Metro Lissabon, welches in Abb. 1 dargestellt ist, unter Berücksichtigung der Beschleunigungs- und Haltezeiten sowie der Topografie ab.

Abb. 1.  Streckenprofil Metro Lissabon [23]

Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon    21

Ein Fahrzyklus umfasst die Hinfahrt von Reboleira nach Santa Apolonia, eine fünf minütige Pause in Santa Apolonia und anschließend die Rückfahrt nach Reboleira. 27,4 km werden in knapp 50 min zurückgelegt, dabei wird an insgesamt 34 Stationen gehalten. Die Bahn wird jeweils nach einem 20 s langen Halt auf eine konstante Geschwindigkeit von 72 km/h beschleunigt und vor den Stationen mit der entsprechenden Verzögerungszeit, die sich aus der Steigung respektive dem Gefälle ergibt, auf 0 km/h abgebremst. Die Reibbremse wird dabei jederzeit von der elektrischen, rekuperativen Bremse unterstützt. Das Verhältnis von rekuperativem zu mechanischem Bremsanteil wird im realen Fahrbetrieb von der Kontrolleinheit je nach Betätigung der Bremsvorrichtung individuell geregelt. Für den hier verwendeten Fahrzyklus leiten sich daraus zwei für den realen Fahrbetrieb relevante Bremsmethoden ab. In Methode A wurde basierend auf Dokumenten der Metro Lissabon der Anteil der Rekuperation auf 45,1 % und der Reibbremse auf 54,9 % eingestellt. Nach Auskunft des Metrobetreibers wird hingegen üblicherweise der Großteil der Energie rein rekuperativ aufgefangen und nur ganz zum Schluss eines Bremsvorgangs die Reibbremse eingesetzt, um das Fahrzeug zum Stehen zu bringen. Methode B simuliert entsprechend eine vollständig elektrische Bremsung bis auf eine Fahrgeschwindigkeit von 10 km/h mit anschließender Aktivierung der Reibbremse, die das System zum Halt bringt. Um die durch den Bremsvorgang freigesetzten Partikel repräsentativ analysieren zu können, wurde eine Vorrichtung entwickelt, die es erlaubt, den Bremsstaub luftgetragen abzutransportieren und der Messtechnik zur zuzuführen. Da das Ziel der Untersuchung die Identifizierung typischer Partikelgrößen und chemischer Zusammensetzungen ist, nicht aber die quantitative Ableitung von Emissionsfaktoren, kann auf eine vollständige Einhausung der Bremse verzichtet werden. Der Prüfaufbau ist in Abb. 2 schematisch und in Fotos dargestellt.

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Abb. 2.   Schematische Darstellung (oben) und Fotos des Prüfaufbaus zur Montage am Schwungmassenprüfstand

Die vorkonditionierte Zuluft (20 °C, 50 % r.F., gefiltert mit H13-HEPA Filtern) wird über einen breiten Rechteckkanal mit einem Volumenstrom von 4000 m3/h senkrecht von oben auf die Bremsscheibe geführt. Diese Luft dient allgemein der Kühlung der Bremsscheibe. Sie nimmt zudem die durch die Bremse emittierten Partikel auf und transportiert diese in Richtung der Sammelkonstruktion. Die Position des Bremssattels auf 3 Uhr bzw. damit zusammenhängende erwartete Austrittsrichtung der Partikel ist so gewählt, dass eine repräsentative Partikelprobe erwartet werden kann. Nach Eintritt des Luftstroms mit dem Bremsstaub in die rechteckige Öffnung der Sammelkonstruktion wird dieser um 90° in ein horizontal verlaufendes Rohr umgelenkt. Eine Leitblechstruktur soll dabei Geschwindigkeitsverteilung vergleichmäßigen, sodass Partikelverluste, insbesondere Impaktionsverluste, durch konzentrierte Geschwindigkeitsspitzen im Strömungsprofil reduziert werden. Eine ausreichend lange Einlaufstrecke im Rohr soll eine über den Querschnitt gleichmäßig verteilte Partikelkonzentration garantieren, sodass die verschiedenen Messgeräte durch vier Probenahmesonden in derselben Ebene im Rohr repräsentativ mit Bremsstaub versorgt werden können. Der Abstand der Probenahmestellen zur nächstliegenden Strömungsveränderung entspricht dem doppelten Rohrinnendurchmesser, sodass keine Effekte durch die die Probenahme zu erwarten sind.

Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon    23

2.2 Verwendete Aerosolmesstechnik Gemessen werden sollten die Feinstaubemissionen der Größenfraktionen PM2,5 und PM10, also die Massenkonzentrationen von Partikeln mit aerodynamischen Durchmessern kleiner als 2,5 µm bzw. 10 µm. Darüber hinaus sollte die Anzahlkonzentration und deren Größenverteilung der emittierten Partikel gemessen werden. Im Gegensatz zur Massenkonzentration wird die Anzahlkonzentration von Bremsstaubpartikeln vor allem durch sehr kleine Partikel dominiert, die im Falle hoher Bremsentemperaturen Partikelgrößen bin in den einstelligen Nanometerbereich umfassen können [15–17]. Die für die Messung von Bremsstaubemissionen erforderliche Aerosolmesstechnik zeichnet sich grundlegend durch das Ausnutzen von Partikeleigenschaften aus, um Informationen über Größe, Verteilung oder Anzahl zu erhalten. Die Größenabhängigkeit der Partikeleigenschaften erfordert den Einsatz unterschiedlicher Messverfahren für Messbereiche mehrerer Größenordnungen. Messverfahren für dynamische Prozesse. Neben der Ermittlung des relevanten Messbereichs sollte zudem das Ziel der Untersuchung klar definiert sein. Charakterisierende Bremsstaubmessungen mit vordefinierten Fahrzyklen, einzelnen und in den Bremsbedingungen variablen Bremsevents, erfordern demnach Verfahren mit entsprechender Zeit- und Größenauflösung. Die durchschnittliche Bremsdauer der 34 Bremsevents pro Fahrzyklus beträgt im vorliegenden Fall etwa 5 s. Geeignete zeitauflösende Messverfahren müssen entsprechend eine ausreichend hohe Zeitauflösung vorweisen. Die in diesen Untersuchungen verwendete Echtzeitmesstechnik weist mindestens eine Zeitauflösung von 1 s auf. Bestimmung der Anzahlkonzentration Die zeitaufgelöste Gesamtpartikelanzahlk onzentration für Partikel mit einem Durchmesser größer 10 nm wird mithilfe des Kondensationspartikelzählers (CPC, Modell 3750) der Firma TSI gemessen. Partikel, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, streuen zu wenig Licht, um noch optisch detektiert werden zu können. In einem CPC werden Partikel daher einer mit dem Dampf der verwendeten Arbeitsflüssigkeit (hier: Butanol) übersättigten Atmosphäre ausgesetzt, sodass der Dampf auf den Partikeln kondensiert und sich so mikrometergroße Tröpfchen bilden, die abschließend optisch detektiert werden. Der Volumenstrom des verwendeten CPC beträgt 1 L/min. Ein CPC ist dabei ein reiner Partikelzähler und liefert keine Partikelgrößeninformationen Bestimmung der Anzahlgrößenverteilung Die zeit- und größenaufgelöste Partikelanzahlkonzentration wurde mithilfe eines Fast Mobility Particle Sizers (FMPS, Modell 3091) und eines Optical Particle Sizers (OPS, Modell 3330), beide ebenfalls von der Firma TSI, gemessen. Diese unterscheiden sich sowohl im Funktionsprinzip als auch im messbaren Partikelgrößenbereich Das FMPS nutzt die elektrische Mobilität der Partikel zur Größenklassierung. Die elektrische Mobilität eines Partikels ist abhängig von der Anzahl n an partikelgetragenen Elementarladungen e, dem größenabhängigen Cunningham Faktor CC [24], Partikeldurchmesser dp und der dynamischen Viskosität der Luft η [25]. Die elektrische Mobilität definiert, wie schnell sich ein Partikel in einem elektrischen Feld

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bewegt. Die Klassierung der Partikel in die einzelnen Größenfraktionen und Messung von deren Konzentrationen läuft dabei im Gegensatz zu den meisten Messgeräten der Art MPSS (Mobility Particle Size Spectrometer, auch bekannt als Scanning Mobility Particle Sizer [26]) simultan und nicht sequentiell ab. Die sekündliche Messung der Konzentration in der jeweiligen Mobilitätsklasse ermöglicht die Charakterisierung der Partikelemissionen in quasi-Echtzeit. Die von der Luft getragenen Partikel werden nach Eintritt in das Messsystem mithilfe eines Diffusionsaufladers unipolar (positiv) aufgeladen. Der nachfolgende Klassierer besteht aus zwei konzentrischen zylindrischen Elektroden. Die geladenen Partikel treten nahe unter konstanter Spannung gehaltenen Innenelektrode ringförmig in den Klassierer ein. Die Strömungsgeschwindigkeit der Partikel wird durch einen konstanten Schleierluftvolumenstrom definiert. Abhängig von deren elektrischer Mobilität treffen vom elektrischen Feld abgelenkte Partikel an unterschiedlichen Orten an der Außenelektrode auf. 22 ringförmige, entlang der Außenelektrode positionierte Elektrometer messen den Strom, der durch die auftreffenden Partikel hervorgerufen wird. Partikel mit hoher elektrischen Mobilität respektive kleinem Partikeldurchmesser deponieren auf den Elektrometern nahe des Eintritts, mit sinkender elektrischer Mobilität bzw. steigendem Partikeldurchmesser wird somit die Entfernung von Eintritt zu Deponierungsort erhöht. Der Deponierungsort ist also direkt abhängig von der elektrischen Mobilität der Partikel. Unter Zuhilfenahme des bekannten Zusammenhangs zwischen der Partikelgröße und der Partikelladung wird im FMPS mithilfe eines komplexen Algorithmus aus den Aufprallorten den gemessenen Strömen auf die Anzahlgrößenverteilung der Partikel zurückgeschlossen [27]. Der Partikelgrößenbereich ist in Richtung größerer Partikel aufgrund erhöhter Partikelverluste und einem nicht eindeutigen Zusammenhang zwischen elektrischer Mobilität und Partikeldurchmesser begrenzt. Für kleinere Partikel ist der Messbereich hingegen durch die abnehmende Aufladewahrscheinlichkeit begrenzt. Das FMPS weist daher einen detektierbaren Größenbereich von 5,6 bis 560 nm auf. Es wurde allerdings gezeigt, dass die Genauigkeit des FMPS für Partikel größer als ca. 200 nm stark nachlässt [28, 29]. Um größere Partikel zu erfassen und damit den vollständigen gesundheitsrelevanten Größenbereich abdecken zu können, bedarf es einer zusätzlichen Analysemethode. In diesem Fall beruht das Messprinzip auf der Detektion von Streulicht an Einzelpartikeln. In dem hierzu verwendeten optischen Aerosolspektrometer OPS wird der zu untersuchende Bremsstaub mit einem Volumenstrom von 1 L/min in die Messapparatur eingeleitet. Bei Eintritt in die Messkammer sorgt ein ringförmiger Schleierluftvolumenstrom zur weiteren Fokussierung des Aerosolstroms und zur Vorbeugung möglicher Kontamination der Messeinheiten. Im Messvolumen trifft ein fokussierter Laserstrahl auf die Einzelpartikel und wird von diesen gestreut. Unter einem Winkel von 90° ± 60° zum einfallenden Laserstrahl befindet sich ein Hohlspiegel, der das gestreute Licht auf einen Photodetektor bündelt, der die Streulichtintensität misst. Durch vorherige Kalibrierung mit nahezu kugelförmigen Polystyrol Latex (PSL) Kalibrierpartikeln kann die detektierte Streulichtintensität von Partikeln unbekannter Materialeigenschaften wie Brechungsindex und Partikelform einem PSL-Äquivalenzdurchmesser zugeordnet werden. Die Häufigkeit erfasster Streulichtsignale und die Sortierung einzelner Streulichtintensitäten in die jeweilige Größenklasse führen dann zur Bestimmung der momentanen Anzahlgrößenverteilung.

Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon    25

Die Streulichtdetektion an Einzelpartikeln führt zu einer Begrenzung einerseits des Größenbereichs und andererseits der maximalen Partikelanzahlkonzentration. Partikel, die kleiner als in etwa die halbe Wellenlänge des Lichtes sind, können nicht detektiert werden, da die Streulichtintensität in diesem sog. Rayleigh-Regime sehr stark mit der Partikelgröße abnimmt [30]. Die untere Nachweisgrenze, definiert als die Partikelgröße, die mit einer Zähleffizienz von 50% erfasst wird, liegt bei dem hier verwendeten optischen Aerosolspektrometer bei 0,3 µm. 16 variabel einstellbare Größenklassen erstrecken sich über einen Bereich bis zu 10 µm. Größere Partikel werden zwar mit in die auch bestimmte Gesamtanzahlkonzentration aufgenommen, aber keiner Größenklasse zugeordnet. Die Messverfahren für dynamische Prozesse geben folglich Informationen über die Gesamtanzahlkonzentration, sowie die Anzahlgrößenverteilung des Bremsstaubs innerhalb des gesundheitsrelevanten Größenbereichs. Die gravimetrische Bestimmung der Massenkonzentration sowie eine tiefergehende, z. B. chemische Analyse des Bremsstaubs wird durch das Sammeln der Partikel auf einem Filter ermöglicht, die nachfolgend beschrieben wird. Partikelsammlung.  Zur Sammlung der luftgetragenen Partikel auf Quarzfaserfiltern (D = 47 mm) wurden zwei Kleinfiltergeräte (Comde Derenda, Modell LVS), jeweils ausgerüstet mit einem größenselektiven Einlass, verwendet. Um einen Bezug zu den lungengängigen Größenfraktionen herzustellen und die Varianz der Ergebnisse durch einzelne sehr große Partikel zu reduzieren, wurden die PM10und PM2,5 Fraktionen gesammelt. Als Vorabscheider kamen einstufige Impaktoren gemäß EN12341 zum Einsatz. Gegenüber den für die Kfz- Bremsstaubemissionsmessungen laut GTR vorgeschriebenen Zyklonen weisen die verwendeten Impaktoren entscheidende Vorteile auf. Das exakte Design der Impaktoren ist in der o.g. Norm festgeschrieben, die Konventionen der PM2,5- und PM10-Fraktionen sind darüber definiert. Bei GTRkonformen Messungen lieferten die verwendeten Zyklone PMx Fraktionen, die von den Konventionen abwichen, im Unterschied zu den hier verwendeten Impaktoren [31]. Darüber hinaus werden diese Impaktoren bei einem Volumenstrom von 2,3 m3/h betrieben, sodass auf den Filtern mehr Material gesammelt wird als bei Verwendung eines Zyklons bei 1 m3/h. Bei der trägheitsbedingten Abscheidung in einem Impaktor wird das Prüfaerosol in einer Düse beschleunigt und um eine senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteten Prallplatte geleitet. Der Abstand der Düse zur Prallplatte, der Durchmesser der Düse, sowie die Strömungsgeschwindigkeit des Prüfaerosols bestimmen die Trenngrenze. Partikel, die zu träge sind, um den Stromlinien zu folgen und von denen abweichen, werden an der Prallplatte abgeschieden. Die Abscheidewahrscheinlichkeit der Partikel entspricht dabei nicht einer Sprungfunktion, wie es bei perfekt linienförmiger Anströmung der Prallplatte der Fall wäre, sondern folgt einer integrierten Lognormalfunktion als Abscheidekurve. Die Trenngrenze ist als d50 definiert, bei der 50 % der Partikel abgeschieden werden. Die im Luftstrom verbleibenden Bremsstaubpartikel werden daraufhin auf einem Quarzfilter gesammelt. Durch die Wägung vor und nach der Beprobung im thermodynamischen Gleichgewichtszustand mit der Umgebung gibt die Massenzunahme des Filters Aufschluss über gesammelte Partikelmasse und unter Zuhilfenahme des gesamten beprobten Luftvolumens die durchschnittliche Massenkonzentration im Sammelzeitraum. Da der

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Filter mitsamt den Bremsstaubpartikeln durch die gravimetrische Analyse unverändert bleibt, lassen sich die Filter anschließend chemisch analysieren. 2.3 Bestimmung der elementaren Zusammensetzung des Bremsstaubs Mikrowellenunterstützter chemischer Aufschluss. Für die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Partikel muss der auf den Filtern gesammelte Staub zunächst in eine Flüssigkeit überführt werden. Hierzu wurde ein mikrowellenunterstützter chemischer Aufschluss verwendet. Die Quarzfilter sind dazu in einer Mischung aus Salpetersäure (HNO3) und Flusssäure (HF) chemisch aufgeschlossen worden. Der chemische Aufschluss wandelt feste Elemente aus unlöslichen Stoffen in lösliche ionische Spezies um. Diese Säurekombination eignet sich für eine Vielzahl von Anforderungen an die Quantifizierung anorganischer Stoffe, da HNO3 die meisten anorganischen Stoffe oxidiert und in wasserlösliche Nitratsalze umwandeln kann. Die Zugabe von HF gewährleistet den vollständigen Aufschluss von Silikaten und einigen Oxiden, die auftreten können, und verhindert den Einschluss von Analyten in nicht lösliche Partikel. Der Aufschluss wird bei 180 °C für 60 min durchgeführt, um eine klare Lösung zu erhalten. Hierzu wurde eine Mikrowelle (Modell MARS 6, CEM) verwendet. Da viele Elemente nur in Spuren vorhanden sind, werden die entstandenen Lösungen durch Verdampfen aufkonzentriert. Dieser Schritt ermöglicht auch die Entfernung der Flusssäure, um eine sicherere Handhabung aber auch eine Materialverträglichkeit bei der anschließenden Analyse zu gewährleisten. Die Verdampfung hat keinen Einfluss auf die Elementmengen, die im Vergleich zu Wasser und den verwendeten Säuren wesentlich höhere Siedepunkte haben. Elementanalyse mit induktiv gekoppeltem Plasma. Für die anschließende Elementquantifizierung von flüssigen Proben kamen induktiv gekoppelte Plasmasysteme (ICP) mit Atomemissionsspektroskopie (ICP-AES, Modell iCap-6500, Thermo Fisher Scientific) und Massenspektrometrie (ICP-MS, Modell iCap-Q, Thermo Scientific) zum Einsatz Beide Systeme vernebeln zunächst die zu untersuchenden Flüssigkeiten in die Plasmaquelle zur gleichzeitigen Atomisierung, Ionisierung und Anregung der Probenkomponenten. Das gebildete Plasma basiert auf einem Argonstrom, der durch eine nachfolgende Induktionskraft im aktiven Zustand gehalten wird. Die Temperaturen betragen dabei 6000 bis 10.000 K. ICP-AES nutzt die Emission von Licht aus der Relaxation angeregter ionischer Spezies aus, die durch thermische Anregung gebildet werden. Die emittierten Wellenlängen sind für jedes Element charakteristisch und ermöglichen die Quantifizierung durch externe Kalibrierung. Der Arbeitsbereich liegt für die meisten Elemente bei der ICP-AES im Bereich von 0,01 bis 10 mg/L. ICP-MS trennt ionische Spezies durch die Massenspektrometrie, wie sie auch in GC-MS- und LC-MS-Techniken verwendet wird. Die Ionen werden nach dem Verhältnis von Masse zu Ladung (m/z) unterschieden und schließlich mit Sekundärelektronendetektoren nachgewiesen, die durch die Entladung der kollidierenden Ionen Strom erzeugen. Die Messbereiche solcher Systeme sind um den Faktor 1000 geringer als bei ICP-AES, d. h. die Messbereiche beginnen bei den meisten Elementen bei etwa 0,1 µg/L.

Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon    27

3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Physikalische Untersuchungen

250

1 0,9

200

0,8 0,7

0,6

150

0,5 0,4

100

0,3

friction coefficient

driving speed [km/h], brake disc temperature [ °C]

Fahrzyklus.  Wie in Abschn. 2.1 beschrieben, wurde ein der U-Bahnlinie „Blue Line“ in Lissabon entsprechender Fahrzyklus mit zwei unterschiedlichen Bremsmethoden an einem Schwungmassenprüfstand simuliert. Zum besseren Verständnis sind in Abb. 3 und 4 beispielhaft die Fahrtgeschwindigkeit (schwarz, Primärachse), der Reibungskoeffizient (grün, Sekundärachse) sowie die resultierende Bremsscheibentemperatur (rot, Primärachse) während eines Fahrzyklus für Bremsmethode A (Verhältnis Rekuperation/Reibbremse 45,1 %/54,9 %) und B (nur Rekuperation bis 10 km/h, dann Zuschaltung der Reibbremse bis Stillstand) dargestellt. Die Bremsscheibentemperatur entspricht der mit sechs Thermoelementen nach UIC Vorgabe gemessenen mittleren Temperatur der Bremsscheibe

0,2

50

0,1 0

0 0

1000 driving speed metro

2000 driving time [s] brake disc temperature

3000 friction coefficient

Abb. 3.  Beispielhafter Fahrzyklus bei Aktivierung der mechanischen Reibbremse anteilig zur rekuperativen Bremse (Verhältnis 45,1/54,9) bei der Maximalgeschwindigkeit von 72 km/h (Bremsmethode A)

Das Prüfprogramm beginnt mit einer fünf-minütigen Standzeit, um einen konstanten Luftvolumenstrom zu erzeugen und die Hintergrundkonzentration aufgrund des offenen Systems soweit wie möglich abzusenken und in einen stabilen Zustand zu versetzen. Während der gesamten Prüfung ist der Prüfstand geschlossen, sodass nur ein minimaler Luftaustausch mit der Umgebung stattfindet. Darauf folgen 17 Bremsevents, die die Anfahrt der einzelnen U-Bahnstationen des Hinwegs

28     M. Weissbuch et al.

80

0,5

70

0,45 0,4

60

0,35

50

0,3

40

0,25

30

0,2 0,15

20

friction coefficient

driving speed [km/h], brake disc temperature [ °C]

simulieren. Zwischen Hin- und Rückweg wird ebenfalls eine fünf-minütige Standzeit eingehalten, um den Richtungswechsel der U-Bahn nachzustellen. Die Eigenrotation und damit einhergehende verstärkte Wärmeübertragung von Bremsscheibe zu Luftstrom durch Konvektion wird durch die deutlich erhöhte Temperatursenkung im Bereich der erhöhten Geschwindigkeiten im Vergleich zum Stillstand deutlich. Die Darstellung des Reibungskoeffizienten soll der Veranschaulichung der Dauer der Nutzung der Reibbremse während der einzelnen Bremsvorgänge, vor allem in Hinblick auf die beiden unterschiedlichen Bremsmethoden A und B, dienen. Bei Bremsmethode A ist ausgehend vom ersten Bremsevent der Trend des Anstiegs der Bremsscheibentemperatur am Ende jedes Bremsvorgangs nahezu logarithmisch. Die Temperatur der Bremsscheibe während des Rückwegs beginnt dementsprechend bei bereits erhöhter Temperatur und erreicht daher eine leicht höhere Endtemperatur beim Erreichen der Zielstation Reboleira.

0,1

10

0,05

0

0 0

500

1000

driving speed metro

1500 2000 driving time [s]

2500

brake disc temperature

3000

3500

friction coefficient

Abb. 4.  Beispielhafter Fahrzyklus bei vollständig rekuperativem Bremsen bis 10 km/h, dann Aktivierung der mechanischen Reibbremse bis zum Stillstand (Bremsmethode B)

Derselbe Fahrzyklus (siehe Fahrgeschwindigkeitsverlauf) mit veränderter Bremsmethode zeigt aufgrund der erheblich niedrigeren in die Reibbremse eingebrachten Energie eine deutlich niedrigere und kaum variable Bremsscheibentemperatur. Der Reibungskoeffizient zeigt im Bereich der aktivierten mechanischen Bremse einen vergleichbaren Wert von etwas über 0,4. Jedoch ist deutlich zu erkennen, dass der Reibungskoeffizient über die Fahrtzeit integriert wesentlich geringer ausfällt. Das bedeutet, dass die verkürzte Bremszeit bei ähnlicher Bremsstärke zu geringerer Reibung führt und damit zu geringerer Wärmeentwicklung. Inwiefern die absoluten Temperaturen während der simulierten Fahrzyklen den Bremsscheibentemperaturen

Feinstaubemissionen aus U-Bahn-Bremsen am Beispiel der Metro Lissabon    29

im realen Fahrbetrieb entsprechen, kann an dieser Stelle nicht vorhergesagt werden. Dafür fehlen Kenntnisse über den Strömungszustand um das Bremssystem im realen Betrieb, ebenfalls hängt dies von unterschiedlichen Parametern wie der Umgebungstemperatur, etc. ab. Während der Hin- und Rückfahrt ist lediglich ein geringfügig ansteigender Trend der Scheibentemperatur zu erkennen. Die Bremsscheibentemperatur bei der Bremsmethode B wird im Wesentlichen durch die Temperatur der Kühlluft (ca. 20 °C) bestimmt. Die Untersuchungen starteten mit einem Beddingprozess, um die Reibfläche von Belag und Scheibe in einen möglichst definierten Anfangszustand für die Messungen zu bringen und von möglichen Verschmutzungen zu befreien. Daraufhin folgten unterschiedliche Variationen des Fahrzyklus. Dabei wurde sowohl die Anzahl der Zyklen als auch die simulierte Last variiert. Die simulierte Last bezieht sich dabei auf die Last der U-Bahn Achse mit entsprechender Passagieranzahl. Die minimale Last beschreibt somit die Achslast der U-Bahn ohne Passagiere (4282 kg). Die maximale Last hingegen simuliert die Achslast bei vollständiger Auslastung der U-Bahn (5710 kg). Ziel dieser Voruntersuchungen war es, die Mess- bzw. Partikelsammelzeiten so zu gestalten, dass der auf dem Quarzfilter des Partikelsammlers derart ausreichend Material für die chemische Analyse gesammelt wird, gleichzeitig aber nicht zu viel, um die Möglichkeit späterer Analysen der Filter auf den Anteil elementaren und organischen Kohlenstoffs (EC/OC-Analyse) offenzuhalten. Diese Untersuchungen ergaben, dass ein Fahrzyklus mit der Bremsmethode A bei mittlerer Last (4996 kg) für anschließende Analyseverfahren am besten geeignet ist. Insgesamt beinhaltet diese Prüfung fünf Wiederholungen, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten und eventuelle Muster erkennen zu können. Partikelgrößenverteilung.  Im ersten Schritt der Charakterisierung des Bremsstaubs wird das Hauptaugenmerk auf die Größenverteilung der emittierten Bremspartikel gelegt. Dafür wird im folgenden Abschnitt der Ablauf der Prüfung erklärt, woraufhin die Ergebnisse der in Abschn. 2.2 erläuterten größenaufgelösten Messverfahren für dynamische Prozesse analysiert werden Für die Darstellung der Partikelgrößenverteilung wurde die Partikelanzahlkonzentration auf die logarithmische Klassengröße normiert (dN/dlog(dp)), sodass die Ergebnisse beider Messverfahren (FMPS, OPS) trotz ihrer unterschiedlichen Größenauflösung vergleichbar. Für die Auswertung wurden lediglich die Bremsevents, die durch in das FMPS eingespeiste Prüfstandssignale bei Betätigung der Bremse eindeutig nachweisbar waren, verwendet. Das offene Messsystem und eine nicht vollständig partikelfreie Kühlluft sorgen für eine mehr oder weniger konstante Hintergrundkonzentration. So wurde zum einen für jedes Bremsevent (Größenverteilung Bremsstaub + Hintergrund), als auch für 30 s vor dem jeweiligen Bremsevent (Hintergrund) eine gemittelte Partikelgrößenverteilung bestimmt. Durch Subtraktion der beiden Größenverteilungen kann sich der reinen Bremsstaubgrößenverteilung angenähert werden. Die gemittelte und normierte Partikelanzahlkonzentration ist in Abb. 5 über den äquivalenten Partikeldurchmesser aufgetragen. Hierbei ist zu beachten, dass für die Ergebnisse des FMPS der Mobilitätsdurchmesser und für die Ergebnisse des OPS der optische Äquivalenzdurchmesser verwendet wurde. Eine Umrechnung

30     M. Weissbuch et al.

der ­ Durchmesser ineinander ist nur bei genauer Kenntnis der größenabhängigen Brechungsindizes der Partikel möglich. Da diese im vorliegenden Fall aber unbekannt sind, wurde auf eine Umrechnung verzichtet. Die Standardabweichungen der mittleren Anzahlkonzentration je Größenklasse sind als Fehlerbalken in die Grafik eingetragen.

Particle Number Concentration dN/dlog(dp) [P/cm³]

35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1

10

100 Equivalent Diameter [nm] FMPS

1000

10000

OPS

Abb. 5.   Gemittelte Partikelgrößenverteilung über jeweils 34 Stationen und insgesamt 5 Fahrzyklen des Bremsstaubs (Bremsmethode A)

Dabei wird vor allem die hohe Streuung der Anzahlkonzentration im Bereich ultrafeiner Partikel, also von Partikeln