REIFEN VERURSACHEN EMISSIONEN

Dass die Reifen verschleissen und ersetzt werden müssen, weiss jeder Autohalter. Dass der Verschleiss in Form von Partikeln auftritt, kann man sich vorstellen; dass diese Partikel aber lungengängig sein können und dass davon Tausende von Tonnen emittiert werden, ist man sich nicht unbedingt bewusst. Die Gefährlichkeit dieser Emissionen zu mindern, ist offenbar ein neues Anliegen der Gesetzgeber.

Jeder Reifen hat eine Lebensdauer. Bei Rennwagen liegt diese bei einigen Dutzend bis einigen Hundert Kilometern. Auch bei Personenwagenreifen ist der Verschleiss von der Physik und der Chemie vorgegeben und kann mit verschiedenen Hebeln mehr oder weniger beeinflusst werden. In den letzten Wochen und Monaten sind die Reifenverschleissteile ins Interesse der Politik und der Medien geraten. Es geht so weit, dass die nichtmotorischen Partikel in der Euro7­Abgasnorm (oder später) sogar reglementiert werden sollen.

Reifenleben und Verschleiss

Ein durchschnittlicher Reifen weist einen Durchmesser zwischen 580 und 660 mm auf. Der im Titelbild gezeigte

Reifen des BMW iX1 erreicht im montierten und fahrbereiten Zustand einen maximalen Durchmesser von über 700 mm und stellt so ein ausserordentlich grosses (Gesamt­)Rad dar. Angenommen, der Reifen kann aussen 6 mm abgefahren werden, bis er ersetzt wird, sind das bei einem Hohlzylinder 3220 cm3. Gummi hat eine Dichte von ca. 0.95 g/cm3, und wenn der Positivanteil des Profils 55 % beträgt, werden über ein Reifenleben 1685 g Gummi abgerieben. Würde es sich bei dem Reifen um einen profillosen Slick handeln, wäre der Positivanteil des Profils 100 %, da es keine Profilrillen geben würde. Im Strassenverkehr sind aber die Profile vorgeschrieben und müssen eine Mindesttiefe von 1.6 mm aufweisen. Deshalb wird beim Reifen nur der Positivanteil abgerieben. Auch bei einem durchschnittlich grossen Rad sind das etwa 1.5 kg Gummi pro Reifenleben oder 6 kg für alle vier Reifen.

Durch den 1.1 km langen Bareggtunnel bei Baden fahren an Spitzentagen gegen 140’000 Fahrzeuge. Das ergibt eine täglich gefahrene Strecke von über 150’000 km. Wenn ein Reifensatz 20’000 km hält, würden also mehr als sieben Sätze Reifen täglich verbraucht. Das rechnet sich hoch und ergibt gegen 50 kg Reifenabrieb täglich. Das ist jedoch keine neue Erkenntnis, die Reifen verschleissen seit jeher, aber jetzt soll hingeschaut werden, weil Wissenschaftler Mikroplastikspuren überall entdecken, also auch in den Nahrungsmitteln und in Bergseen – einfach überall.

Reifenaufbau zu Wulst des Reifens dar. Daneben ist sie im Bereich der Seitenwände zusammen mit dem gummielastischen Material für die Stabilität, aber auch für einen Teil der (Fahrzeug­)Federung verantwortlich. Je niederquerschnittiger der Reifen ist, desto weniger Federungsarbeit kann übernommen werden und desto hochfrequenter werden die Schwingungen. Deshalb wird der Reifen härter.

Im Laufflächenbereich wird die Karkasse durch die Gürtellagen verstärkt. Je breiter ein Reifen, desto stabiler müssen diese gefertigt sein, denn von ihnen hängt es ab, wie konstant der Anpressdruck des Reifens auf die Fahrbahn wird – und dieser konstante Anpressdruck ist entscheidend für den Grip in Längsund in Querrichtung. Wenn sich aber die Profilklötze durch die Gürtelverformung nicht mehr optimal mit dem Strassenbelag verzahnen und darauf abgleiten können, entstehen Schwingungen und Verformungen, welche die Haftung mindern, den Verschleiss, den Abrieb und die Geräuschemissionen jedoch fördern.

Bild 1. Die Abriebmenge der «EcoContact»-6-Reifenlinie von Continental konnte im Vergleich zur Vorgängergeneration um mehr als 30 % vermindert werden. Dazu halfen verschiedene Massnahmen wie die Erhöhung der Karkassensteifigkeit oder die Optimierung der Laufstreifengummimischung mit.

Um den Reifenverschleiss zu verstehen, muss der ganze Reifen als elastisches und schwingendes System dargestellt und studiert werden. So bleiben während der Fahrt der Wulst und der Wulstkern (Bild 3) stabil auf der Felgenschulter und bewegen sich nicht, da sonst die Dichtheit nicht mehr gewährleistet wäre. Das ist grundsätzlich auch die Aufgabe dieser Teile. Der Wulstkern besteht aus kordierten Stahldrähten und ist im Wulst eingebettet. Das Tiefbett der Felge erlaubt geometrisch die Montage des Reifens trotz dieses stählernen Wulstkerns. Dass der Reifenwulst beim Pumpen nach der Reifenmontage über den Hump springen kann, wird durch die Elastizität des Gummis im Wulst ermöglicht.

Die Karkasse stellt das Grundgerüst oder die Verbindung von Wulst

Damit wird der Reifen zu einem in vieler Hinsicht entscheidenden Bauteil. Früher war die Haftung am wichtigsten, natürlich zusammen mit der Lebensdauer. In den letzten Jahren wurde immer mehr Wert auf die Geräuschemissionen gelegt und nun folgen eben auch die Art der Profilierung hat den die Partikelemissionen, welche ja mehr oder weniger proportional zum Verschleiss zu verstehen sind.

Reibungsgesetz

Gummi ist ein nicht­newtonsches Medium; das heisst, Gummi verhält sich bei der Reibung nicht wie die Materialien, welche von Sir Isaac Newton im 17. Jahrhundert untersucht worden und deren Reibungseigenschaften im newtonschen Reibungsgesetz festgehalten sind. Er hat herausgefunden, dass die Grösse der Reibungskraft nur abhängig von der Materialpaarung (Reibwert) und der Normalkraft ist, also jener Kraft, mit welcher die beiden Materialien rechtwinklig aufeinandergepresst werden. Ob die Flächen der beiden Körper grösser oder kleiner sind, spielt für die Reibungskraft keine Rolle. Das widerspricht aber den Eigenschaften von Breitreifen. Sicher wären Formel­Rennwagen aufgrund des geringeren Luftwiderstandes auf schmalen Reifen unterwegs, wenn die breiten Reifen nicht mehr Haftung versprechen würden. Dies liegt am Verkrallungseffekt zwischen dem Laufflächengummi und dem Strassenbelag. Gummi verformt sich elastisch und kann sich deshalb den Poren im Strassenbelag exakt anpassen. Diese Verkrallung wird natürlich mit zunehmender Auflagefläche des Reifens grösser.

Gummielastizität

Dass der Laufflächengummi profiliert wird und nicht durchgehend die Lauffläche bedeckt, hängt mit der Aquaplaning­Eigenschaft zusammen. Während Formel­1­Rennwagen zur Box fahren, wenn die ersten Regentropfen fallen, kann das ein PW­Fahrer nicht. Also muss sein Reifen für die trockene wie auch für die nasse Strasse geeignet sein. Deshalb sind in der Lauffläche gewisse Gummiblöcke sichtbar. In den Rillen bzw. im Negativprofil wird das Wasser – je nach Wassertiefe und gefahrener Geschwindigkeit – zum Teil literweise abgeleitet.

Tauchen die Gummiblöcke in die Aufstandsfläche (Latsch) ein, werden sie – je nach Gummihärte – mehr oder weniger zusammengequetscht. Auch die Reifenseitenwand gibt nach und verformt sich. Bei den angetriebenen oder gebremsten Rädern wirkt nicht nur der Gewichtskraftanteil (Normalkraft) sondern auch die Umfangskraft auf die Seitenwand und die kraftübertragenden Gummiteile der Lauffläche. So verformen sich die Profilblöcke und verkeilen sich gleichzeitig mit dem Strassenbelag.

Wenn sie zum Latsch austreten, passieren zwei Bewegungen gleichzeitig: Einerseits entspannen sich die Gummiklötze durch die wegfallende Normalkraft radial, aber da sie die Umfangskraft nicht mehr weiterleiten können, spicken sie auch wieder an ihre angestammte Stelle am Reifenumfang zurück.

Auswirkungen

Dieses Zurückspicken und Ausschwingen der Profilblöcke hat drei Konsequenzen. Zum einen erzeugen diese Schwingungen Geräusche, welche durch die trichterförmige Öffnung hinter dem Reifen verstärkt werden. Zum Zweiten ist die letzte Kraftwirkung zwischen einem Block und der Strasse kurz vor der Trennung sehr belastend. Da die beiden Materialien noch miteinander verzahnt sind, aber eigentlich die Kraft nicht mehr übertragen können, weil sich die nebenliegenden Verzahnungen des Profilblockes schon gelöst haben, können nun kleinste Gummiteile ab­ und aus dem Profil gerissen werden. Es kann auch sein, dass die Gummiteile stärker sind als die Strassenbelagsteile und so feinste

Teile aus dem Strassenbelag in die Umwelt gespickt werden (Bild 4). Die dritte Konsequenz ist der Schlupf. Die Verbiegung von Seitenwand und Profilblock beim Eintritt in den Latsch wird durch die Umfangskraft (Beschleunigung oder Verzögerung) erwirkt. Beim Austreten spicken diese Gummiteile wieder in ihre normale Position zurück. Das bedeutet, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Rades beim Beschleunigen grösser, beim Verzögern aber kleiner ist als die Fahrgeschwindigkeit des Autos. Der Fachausdruck für diesen Effekt heisst Schlupf. Beim Beschleunigen dreht das Rad immer ein wenig durch und beim Verzögern blockiert es ein bisschen. Das Diagramm in Bild 5 zeigt die physikalischen Auswirkungen dieses Schlupfes (λ) auf den Reibwert zwischen Reifen und Strasse.

Die maximale Längskraft kann auf trockener Strasse bei ca. 20 % Schlupf übertragen werden. Das heisst: Fährt jemand mit 100 km/h auf der Autobahn und gibt plötzlich Vollgas, so werden die Antriebsräder rasch auf ca. 120 km/h Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt, während das Fahrzeug immer noch mit 100 km/h fährt. Wird das Gaspedal nur fein berührt, so ergibt sich eine kleinere Beschleunigung, damit ein

Einspritzdrücke bei den Dieseleinspritzungen sind die Partikeldurchmesser immer kleiner geworden – und unsichtbarer. Dafür sind die Emissionen je kleiner, desto lungengängiger. Deshalb beinhalten heute die Diskussionen auch die Themen Partikelgrösse und Partikelzusammensetzung. Je kleiner die Partikel, desto tiefer in die Lunge können sie eindringen; wenn aber die Partikel zusätzlich noch toxisch sind, gelangen diese Giftstoffe durch die Lunge direkt ins Blut. Die Partikel können krebsfördernd sein, Allergien auslö­

Deshalb ist nicht nur die Menge der Partikel ausschlaggebend. Die OECD und auch der englische Spezialist für Emissionsmessungen Emissions Analytics beschreiben, dass der Abrieb von Reifen und Bremsen in naher Zukunft zum Hauptverursacher von Feinstaub werden und damit die Verbrennungsmotoren als Spitzenreiter ablösen wird. Weiter hat Emissions Analytics herausgefunden, dass die Zusammensetzung der nichtmotorischen Partikel im Durchschnitt mehr als 400 organische Verbindungen und eine Reihe geringer als bei alten Dieselmotoren, aber um Grössenordnungen höher als bei Fahrzeugen mit modernen Verbrennungsmotoren und neusten Filtern.

Reifenpartikel

Untersuchungen haben gezeigt, dass rund 75 % der Reifenpartikel am und im Boden landen. Grösstenteils sind diese weniger als 5 m vom Strassenrand entfernt. Wenn es regnet, werden rund 20 % der Partikel auch einfach weggeschwemmt, kommen durch Abwasser­ oder Sickerleitungen geleitet. Die restlichen 5 % bleiben somit in der Luft. Diese Messungen sind allerdings Massemessungen und beurteilen die Anzahl der Partikel nicht. Würden die Partikelanzahlen verglichen, sähen die Messungen anders aus. Die paar Masseprozente der winzig kleinen PM­2.5­ oder PM10­Partikel erfordern eine bedeutend höhere Anzahl als die vielen Masseprozente, welche die grossen und schweren Partikel ausmachen.

Reifenindustrie

Bei den Untersuchungen von Emissions Analytics oder vom deutschen ADAC ist auch herausgekommen, dass die Reifen von unterschiedlichen Herstellern auf identischen Fahrzeugen und bei gleicher Fahrweise sehr unterschiedliche Partikelemissionen aufweisen. So ermittelte der ADAC bei einer bestimmten Messung mit Reifen der Dimension 225/40 R 18 für einen MichelinReifen lediglich 58 mg/km, für den schlechtesten der Messreihe dagegen 171 mg/km – und das bei einem Messdurchschnitt von 95 mg/ km. Aber nicht nur in der abgeschiedenen Masse unterscheiden sich die verschiedenen Produkte, auch in der Giftigkeit und der Anzahl der giftigen Partikel wurden grosse und (richtigerweise) betonen, dass der grösste Anteil an den Emissionen durch die Fahrweise beeinflusst werde, so wird das den Gesetzgeber wohl kaum kümmern, wenn er seine Verordnung verabschieden will. Jene Reifenhersteller, welche zu diesem Zeitpunkt ihre Hausaufgaben am besten gemacht haben, werden dann immer noch einen wirtschaftlichen Erfolg einheimsen können.

E­Maschinen aber trotzdem sportlich beschleunigt und gefahren werden können, wird das Reifenproblem auch zu einem nicht unbedeutenden Elektrofahrzeugproblem.

Lösungsansätze

Ein englisches Start­up (The Tyre Collective), aber auch das DLR (das deutsche Zentrum für Luft­ und Raumfahrt) oder Mercedes­Benz und die Partikel abgesaugt werden. Eine Lamellenbremse ist in das Gehäuse der E­Maschine integriert, und die Lamellen befinden sich im Ölbad. So können die Bremspartikel direkt aufgefangen werden.

Mercedes­Benz nennt seinenTechnologieträger Sustaineer (Sustainability Pioneer – Bild 7 und 8). Dieser stellt ein Transportfahrzeug für die letzte Meile dar, welches klimaneutral ist, selber Strom produziert und aktiv die Luftqualität in Städten verbessert. Dazu sind ein Unterboden­Feinstaubfilter im Bereich der Hinterachse und ein zweiter Filter im Frontmodul eingebaut worden. Die beiden Filter vermindern die Partikelemissionen im Fahrzeugumfeld bis zu einer Grösse von 10 Mikrometer.

Der vom Tyre Collectiv zum Patent angemeldete Filter (Bild 9) nutzt die Elektrostatik und die Luftströmung, um die Reifenpartikel anzuziehen und abzuscheiden.

Wahrscheinlich werden die nächsten Schritte ziemlich im Versteckten ablaufen. Während die Reifenhersteller versuchen werden, aus TRWP (Tire & Road Wear Particles – Reifen­ und Strassenabriebpartikel) Brotkrumen zu machen, werden sich die Fahrzeughersteller mit ihren

Mazda MX-30 E-Skyactiv R-EV

Strom Vom Wankelmotor

Im Mazda MX-30 E-Skyactiv R-EV kommt ein serieller Plug-in-Hybridantrieb – bestehend aus einem Elektro-Traktionsmotor und einem Kreiskolbenmotor mit Generator für die Stromerzeugung – zum Einsatz, der das komfortable und direkte Fahrgefühl eines Elektroautos mit der Langstrecken- und Alltagstauglichkeit eines Verbrenners verbinden soll. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Mazda

Mazda bringt den MX­30 als Plug­in­Hybrid –und dass die Japaner dazu unkonventionelle Wege gehen, liegt ja quasi im Erbgut der Marke. Der MX­30 E­Skyactiv REV verfügt über ein serielles Plug­inHybridsystem, seine Räder werden ausschliesslich vom Elektromotor angetrieben. Gewissermassen als Range Extender kommt ein alter Bekannter zum Einsatz: Ein Kreiskolbenmotor verstromt bei Bedarf über einen Generator Benzin. Bei vollgeladener 355­V­Lithium­IonenBatterie, die über eine Kapazität von 17.8 kWh verfügt, 188 kg wiegt und im Fahrzeugunterboden eingebaut ist, sollte dies frühestens nach etwa 85 km – der elektrischen WLTP­Gesamtreichweite – beziehungsweise im urbanen Bereich sogar erst nach rund 110 km (WLTP städtisch) eintreffen.

Elektromotor sorgt für Vortrieb

Die E­Maschine leistet als Motor (Werte zur Rekuperationsleistung liegen zurzeit noch nicht vor) maximal 125 kW bei 9000/min (Dauerleistung 30 Minuten: 60 kW) und stellt ihr maximales Drehmoment von 260 Nm im Bereich von 0 bis 4481/min bereit. Der Mazda MX­30 E­Skyactiv REV absolviert den Sprint von null auf 100 km/h so in 9.1 s, und die Geschwindigkeit wird bei 140 km/h abgeregelt. Bezüglich Treibstoffverbrauch nennt Mazda 1.0 l/100 km im gewichteten WLTP­Zyklus – was CO2Emissionen von 21 g/km entspricht – plus einen Stromverbrauch von 17.5 kWh/100 km. Wenn vorwiegend mit dem vom Verbrenner generierten

Strom gefahren wird bzw. gefahren werden muss (beispielsweise bei einer Fahrt in die Ferien ohne Ladepausen), hat dies freilich Auswirkungen auf den Benzinverbrauch: Die Gesamtreichweite wird mit «über 600 km» angegeben, davon können wie erwähnt ca. 85 km mit Strom aus der Batterie gefahren werden. Für die restlichen etwa 515 km wird dann der vor der Hinterachse eingebaute und 50 l fassende Benzintank geleert.

Der Mazda MX­30 E­Skyactiv R­EV erlaubt sowohl dreiphasiges Wechselstromladen mit bis zu 11 kW als auch schnelles Gleichstromladen.

An einer DC­Schnellladestation mit mindestens 36 kW Ladeleistung wird die Batterie in etwa 25 Minuten von 20 % auf 80 % aufgeladen. An dreiphasigen AC­Ladestationen und ­Wallboxen dauert das Aufladen der

Batterie mit 11 kW von 0 bis 100 % rund 90 Minuten, an der Haushaltssteckdose 5 bis 8 Stunden.

Zweierlei Energielieferanten

Je nach Fahrsituation und Bedürfnissen kann der Fahrer aus einem der drei Fahrmodi – EV­Mode, NormalMode, Charge­Mode – wählen. Im EV­Mode wird der MX­30 E­Skyactiv R­EV so lange ausschliesslich mit Energie aus der Hochvoltbatterie angetrieben, bis deren nutzbarer Ladestand auf null Prozent abgefallen ist. Erst dann schaltet sich die Kreiskolbenmotor­Generator­Einheit ein und generiert die zum Fahren benötigte elektrische Energie. Nur wenn der Fahrer bei niedrigerem Ladestand der Batterie maximal beschleunigen möchte und das Fahrpedal über einen gewissen Widerstand hinaus vollständig nach unten drückt (Kickdown­Funktion), wird im EV­Mode der Wankelmotor auch bei noch geladener Batterie aktiviert, um den zusätzlichen Bedarf an elektrischer Energie für den E­Motor zu generieren.

Der Normal­Mode verbindet elektrisches Fahren mit maximaler Performance: Bei ausreichendem Batterieladestand fährt der R­EV ausschliesslich mit Energie aus der Hochvoltbatterie. Sobald der Batterieladestand auf 40 % abgefallen ist, schaltet sich der Verbrenner samt Generator zyklisch hinzu und hält so den Ladestand der Batterie auf einem Niveau von ca. 45 %.

Mit Hilfe des Charge­Modes schliesslich kann ein bestimmter ZielBatterieladestand festgelegt werden. Die Motor­Generator­Einheit hält hier durch zyklisches Ein­ und Ausschalten den Ladestand in der Grössenordnung des eingestellten Zielwertes. Dies ist etwa sinnvoll, wenn die letzten Kilometer bis zum Ziel nur mit Energie aus der Batterie zurückgelegt und/oder am Zielort elektrische 230­Volt­Geräte betrieben werden sollen – je nach Ausstattung bietet der MX­30 E­Skyactiv R­EV eine im Stand nutzbare 230­VSteckdose im Kofferraum, die maximal 1.5 kW Leistung bereithält.

Comeback des Kreiskolbenmotors

Dank seiner kompakten Bauform mit einer Rotorbreite von 76 mm konnte der Einscheiben­Kreiskolbenmotor im Motorraum in einer Reihe mit dem Elektromotor und dem Generator angeordnet werden. Der Wankelmotor hat einen Rotorradius (die trochoidale Kurve der Rotorbewegung) von 120 mm und ein Kammervolumen von 830 cm3. Im Vergleich zum «Vorgänger» – dem Renesis­Motor des Mazda RX­8 mit zweimal 654 cm3 Kammervolumen – konnte die Masse des Kreiskolbenmotors um mehr als 15 kg reduziert werden. Dazu trägt auch das seitliche

Gehäuse der Motorstruktur bei, das nun aus Aluminium anstelle des beim Renesis­Motor verwendeten Gusseisens gefertigt wird. Den grössten Beitrag zur Senkung von Treibstoffverbrauch und Emissionen leistet die Benzindirekteinspritzung. Denn bei Kreiskolbenmotoren mit Saugrohreinspritzung landet ein Teil des Treibstoff­Luft­Gemischs in den seitlichen Bereichen des Brennraums, wo es nicht vollständig verbrennen kann und schliesslich als