Development of a Particle Collector for Tire Wear

Abstract

Reifenpartikel, kurz TWP für Tire Wear Particles, machen einen signifikanten Teil der Feinstaubemissionen moderner Personenkraftwagen aus.Eine simulationsgestützte Entwicklung der Geometrie eines Partikelsammlers wird vorgestellt. Ein Partikelsammler ist ein wesentlicher Bestandteil eines Messsystems für Reifenpartikel auf der Straße am Fahrzeug. Hinter dem Reifen positioniert, nutzt der Partikelsammler einen gebläseinduzierten Volumenstrom, um Partikel in einen Messtunnel zu führen. Ziel ist es, die Sammeleffizienz für TWP zu maximieren und gleichzeitig die Aufnahme von Partikeln aus externen Quellen wie Brems- und Abgasemissionen zu minimieren.Dazu wird ein CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics) entwickelt, das ein Viertelmodell eines generischen Fahrzeugs mit rechtem Vorderrad und Partikelsammler umfasst. Die Strömung wird mit dem k–zeta–f-Modell, einem Reynolds-gemittelten Navier–Stokes (RANS)-Turbulenzmodell, simuliert. Für die Partikelsimulation wird eine Euler-Lagrange-Methode sowie ein Ansatz mit passiven Skalar-en verwendet. Ein iterativer Entwicklungsprozess für die Geometrie des Partikelsammlers wird eingeführt. Die Leistungsfähigkeit des Partikelsammlers wird anhand von Strömungs- und Partikelanalysen bewertet.Die Strömung um das Rad wird untersucht, und eine Analyse der Stokes-Zahl bestätigt, dass die Trajektorien der betrachteten Partikel überwiegend durch das Strömungsfeld bestimmt werden. Nach drei Iterationen erreicht der Partikelsammler eine Sammeleffizienz von 0,66 für TWP und reduziert gleichzeitig die Kontamination durch Fremdpartikel. Partikelverluste werden detailliert analysiert. Sensitivitätsanalysen zeigen, dass mit steigender Fahrgeschwindigkeit die Sammeleffizienz abnimmt, was mit Ergebnissen aus der Literatur übereinstimmt.

Tire wear particles (TWP) contribute substantially to the particulate matter emissions from modern passenger vehicles.A simulation-based development of a particle collector's geometry is presented. A particle collector is a key component of a TWP measurement system for on-road vehicle tests. Positioned behind the tire, the particle collector uses fan-induced suction to direct particles into a sampling tunnel. The objective is to maximize the collection efficiency of TWP while minimizing the intake of particles from external sources such as brake and exhaust emissions.A computational fluid dynamics (CFD) model is developed, featuring a quarter-model of a generic vehicle with front right wheel and particle collector. The flow field is simulated using the k–zeta–f model, a Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) turbulence model. For particle simulation, an Euler-Lagrange method and a passive scalar approach are utilized. An iterative development process for the particle collector’s geometry is established. The performance of the particle collector is evaluated based on flow and particle analyses.The flow field around the wheel is analyzed, and a Stokes number analysis confirms that the trajectories of the particles considered are primarily governed by the flow field. After three iterations, the particle collector setup achieves a TWP collection efficiency of 0.66, while reducing the contamination from non-target particles. Particle losses are examined in detail. Sensitivity analyses show that higher vehicle speeds decrease the collection efficiency, consistent with findings from the literature.