【環境永續】拯救汽車剎車金屬顆粒粉塵排放

Highlight

1. 在汽車排放的污染顆粒中，只有15%來自廢氣，其餘85%來自其他來源
2. 通過設計刹車粉塵顆粒過濾器 （BDPF）減少金屬粉塵顆粒排放
3. 研究結果能夠捕獲高達 80% 的金屬粉塵顆粒

說到汽車廢氣排放，你腦海裡浮現的可能是從排氣管噴出的廢氣煙霧。 但其實汽車還會排放其他可能造成污染的微粒，你可能沒怎麼考慮過，這些顆粒來自剎車磨損、輪胎磨損和道路磨損。 事實上，只有 15% 的排放來自尾氣，其餘 85% 來自這些其他來源。 其中，來自剎車盤的小金屬顆粒最有可能被過濾器捕捉。 歐盟正在考慮立法控制所有來自車輛的排放，包括剎車盤顆粒。

MANN+HUMMEL正在使用 Ansys Fluent 模擬金屬顆粒從剎車釋放時的流動。 目標是設計一個被動篩檢程式（即沒有運動部件），安裝在剎車卡鉗上，在這些顆粒逸出到周圍環境之前將其捕獲。

模擬剎車顆粒排放的挑戰

雖然剎車盤/剎車片系統看起來相對簡單，但它的建模比想像的要難上許多。任何包含剎車粉塵顆粒篩檢系統 （BDPF）條件都必須考慮（除其他變數外）：

1. BDPF 內部由內部通風剎車盤旋轉產生的整個流場。
2. 刹車片、剎車盤和金屬篩檢程式的材料。
3. 過濾器對金屬顆粒尺寸為 0.1-10 μm 的分離效率。
4. 金屬顆粒撞擊過濾器介質以使其被捕獲的概率。
5. 准靜態流速範圍為 10-130 公里/小時。
6. BDPF 在制動過程中升溫時的熱效應。

刹車盤（主要是鑄鐵）和剎車片（由鐵、銅、鋼和石墨等金屬粘合在一起製成）的材料因製造商的不同而異，因此制動過程中產生的摩擦量也不同。 這種摩擦導致來自盤的金屬顆粒形成不同的尺寸和數量。 因此，顆粒的大小和數量取決於剎車製造商、溫度和液壓剎車系統施加的力。

溫度還決定了金屬顆粒是釋放到通過剎車的空氣中還是先粘附在盤上然後釋放。 當它們釋放時，它們會進入盤的內部通風系統，該系統由冷卻空氣流過的孔洞組成。 這種氣流會因駕駛速度和風況而顯著變化。

在設計 BDPF 時，工程師還必須小心，確保過濾系統不會加劇氣流問題。 作為過濾介質的金屬網也會減慢氣流，尤其是在篩檢程式使用一段時間並網格被捕獲的顆粒堵塞之後。 氣流減少會導致不必要的過熱。

所有這些變數都增加了設計剎車顆粒過濾裝置的複雜性，而複雜性又會導致設計的不確定性。

通過模擬減少不確定性

1. 挑戰

MANN+HUMMEL 工程師們先了解剎車系統中金屬粉塵顆粒的產生和排放過程，以及這些顆粒的流動特性。 他們發現，這些顆粒的大小和數量會因剎車片和盤的材料、制動條件等因素而有所不同。 因此，設計一種有效的 BDPF 需要考慮到這些複雜的因素。

2. 建立模型

使用 Ansys Fluent 軟體建立模型，採用行動參考系 （MRF） 方法來模擬剎車系統中的氣流和顆粒運動。 MRE 方法可以考慮到旋轉運動的影響，因此能夠更準確地類比剎車系統中的氣流場。

3. 設計與分析

在模型建立好之後，工程師們開始設計 BDPF。 他們使用離散相模型 （DPM） 來類比顆粒的流動和捕獲過程。 DPM 模型可以考慮到顆粒的碰撞和粘附等現象，因此能夠準確地計算 BDPF 的捕獲率。

模擬運行中的粒子軌跡和撞擊位置

4. 驗證

在設計好 BDPF 之後對其進行驗證。 使用Fluent模擬，過濾結果可以預測高達10%的準確度，該循環包括具有最高功率質量比的車輛。 結果表明，類比結果與實際測試結果高度吻合，證明瞭模型的可靠性。

通過這項研究， MANN+HUMMEL 成功開發了一種高效的 BDPF，能夠捕獲高達 80% 的金屬粉塵顆粒。 這項研究為優化剎車系統減排提供了重要數據和技術支援，對改善空氣品質和保護環境具有重要意義。

資料來源 Ansys Blog