Genereert remstof om auto-veiligheid en emissienormen vast te stellen

De VW Jetta Hybrid op de rollenbank in Empa’s Automotive Powertrains Technologies Laboratory had een aantal jaren dienst als wagenpark. Het is vastgebonden in de testkamer en maakt sinds juli 2020 deel uit van een nieuw onderzoeksdoel: het doel is om remstof te genereren, strikt volgens de gestandaardiseerde WLTP-rijcyclus, de cyclus die ook wordt gebruikt om uitlaatemissies te bepalen.

De belangstelling voor remstofmetingen is vrij recent: in juni 2016 besloot een afdeling van de Economische Commissie voor Europa van de VN (UNECE), bekend als de Particle Measurement Programme Informal Working Group (PMP IWG), dat het tijd was om een ​​algemeen toepasbare test te ontwikkelen procedure voor remstof die op betrouwbare wijze de massa en het aantal uitgestoten deeltjes zou bepalen. Sindsdien hebben een aantal onderzoeksinstellingen, voertuigfabrikanten en gespecialiseerde bedrijven voor testapparatuur zich over het onderwerp gebogen. Er zijn echter enkele ernstige uitdagingen die moeten worden aangepakt.

Alle kanten op gegooid

In tegenstelling tot een uitlaatpijp, die betrouwbaar gassen in een bepaalde richting uitstoot, verdeelt een roterende remschijf de deeltjes in alle mogelijke richtingen. Je moet dus eerst de deeltjes verzamelen en ze vervolgens in een goed gedefinieerde stroom naar een deeltjesanalysator leiden. Tijdens dit proces moeten verliezen worden geminimaliseerd: Fijne deeltjes mogen niet ontsnappen, noch mogen er grove deeltjes in de leidingen achterblijven.

Er doen zich nog twee complicaties voor: de remmen van een voertuig zijn bevestigd aan een roterende aandrijfas, die voor de meting zorgvuldig moet worden afgedicht zodat er geen deeltjes verloren gaan. Tegelijkertijd zijn remmen niet gekoeld. Op de weg zorgen de luchtstroom samen met ventilatielamellen in de remschijven voor een verkoelende bries. Een volledig gesloten rem op een testbank kan daarentegen snel opwarmen – en zou dan totaal andere deeltjes opleveren dan in het echte dagelijkse verkeer. Een dergelijke analyse zou dus van weinig waarde zijn.

De PMP IWG-werkgroep van de UNECE lost het probleem op door vereenvoudiging: de gewenste remtesten worden uitgevoerd in volledig gesloten testopstellingen. Dergelijke testopstellingen bestaan. Ze lijken op grote kasten, waarin remschijven en remblokken tegen elkaar schuren. Er wordt slechts één onderdeel getest, niet de hele auto.

“We gaan het op een andere manier proberen”, zegt Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler, die de testopstelling bij Empa ontwerpt. “We willen alle emissies van een voertuig gelijktijdig meten tijdens een testrit op de rollenbank. Dit is veel zinvoller dan gegevens van een geïsoleerde remtester, die vervolgens moeten worden omgezet naar realistische omstandigheden.”

Een luchtig ontwerp

Samen met Daniel Schreiber, ingenieur van opleiding, heeft Dimopoulos Eggenschwiler de Empa-versie van de test ontwikkeld, waarvan de resultaten nu moeten kunnen worden vergeleken met andere internationale onderzoeksteams. Bij Empa wordt een compleet voertuig getest, de eerder genoemde VW Jetta Hybrid. De rem van het rechter voorwiel zat in een speciaal ontworpen metalen behuizing. Een persluchtleiding voert vanaf de voorkant van de auto grote hoeveelheden koellucht in de metalen behuizing; tegelijkertijd dient de lucht als transportmedium voor de uitgestoten remdeeltjes. Deze worden rond het voertuig in een buis geleid. Na een korte vliegtijd landen ze in een 13-traps cascade-impactor, een speciaal instrument dat deeltjes op grootte sorteert. Vervolgens kunnen de deeltjesfracties chemisch op gewicht worden geanalyseerd. Indien nodig kan hun morfologie en samenstelling ook worden onderzocht met bijvoorbeeld een elektronenmicroscoop.

“In voorbereidende tests hebben we al bepaald wat van bestaande elementen van de remdeeltjes”, zegt Dimopoulos Eggenschwiler. “Het is voornamelijk ijzeroxide, dat afkomstig is van de remschijf, en een aantal andere oxiden en soorten die aluminium, magnesium, calcium, kalium en titanium bevatten, die afkomstig zijn van de remblokken.” Naast grove deeltjes zijn er ook kleinere deeltjes die kunnen worden ingeademd en de longen kunnen binnendringen.

Remmen hybride voertuigen anders?

Nu het meetproces stabiel verloopt, zal de VW Jetta in eerste instantie worden bestuurd volgens de wettelijk voorgeschreven WLTP-cyclus en remdeeltjes aan de cascade-impactor leveren. Daarna worden verdere testseries geschaafd. “We willen er bijvoorbeeld achter komen of hybride voertuigen anders remmen dan auto’s met conventionele aandrijfsystemen en daardoor andere emissies veroorzaken”, legt de projectleider uit. Hybride voertuigen kunnen ook remmen via hun elektromotor en hoeven daarom veel minder vaak hun mechanische remmen te gebruiken. Aan de andere kant hebben hybride voertuigen een hogere massa. “Met de resultaten van onze metingen zal het mogelijk zijn om de bedrijfsmodi van toekomstige generaties voertuigen te optimaliseren en de remstofemissies beter onder controle te houden dan nu.”