Filter AGR-Filter mit 3D-Gewebe

Mit Volumetric Mesh hat die technische Weberei GKD – Gebr. Kufferath einen dreidimensionalen Gewebetyp entwickelt, der durch seine Filtrationseffizienz in zahlreichen zukunftsweisenden ND AGR-Systemen als Setzteil gilt.

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Maxon Motor GmbH

GKD - Gebr. Kufferath AG Metallweberei

Filter Schlüsseltechnologie zur Senkung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen ist die Abgasrückführung (AGR). In Niederdruck-Abgasrückführungssystemen (ND AGR), die hinter dem Partikelfilter Abgas entnehmen und dem Motor vor dem Verdichter wieder zuführen, verhindern AGR-Filter in der Funktion eines Polizeifilters, dass Partikel aus dem Verbrennungsprozess oder Partikelfilter in den Turbolader oder Motor gelangen. Neben zuverlässigem Partikelrückhalt kennzeichnet ein möglichst geringer Druckverlust die Kernanforderungen an diese Filter. Mit Volumetric Mesh hat die international führende technische Weberei GKD – Gebr. Kufferath einen dreidimensionalen Gewebetyp entwickelt, der durch seine Filtrationseffizienz in zahlreichen zukunftsweisenden ND AGR-Systemen als Setzteil gilt. Durch die strategische Kooperation mit dem unabhängigen Dichtungshersteller im Bereich Automotive ElringKlinger, wurde nun der Weg für die Integration der Filtersiebe mit Dichtungen in den Abgasstrom und die Gesamtmodulführerschaft für Großserien weiter geebnet.

Mit verbrauchsreduzierenden Maßnahmen wie Turboladern und Direkteinspritzung haben die Autohersteller die Wechselbeziehung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission ebenso wie die Erwartungen der Nutzer an leistungsstarke Motoren beantwortet. Bis 2021 muss der Flottenmittelwert bei PKW für CO2-Emissionen auf 95g/km gesenkt werden. Zweiweg-Abgasrückführungssysteme – eine Kombination aus Hochdruck (HD) und Niederdruck (ND) AGR-Systemen – leisten hierzu einen entscheidenden Beitrag. Während sich bei niedrigen Motorbelastungen die HD-Abgasrückführung bewährt, ist bei hohen Belastungen die ND AGR zur Stickoxidnachbehandlung besonders effektiv. Durch geringeres Druckgefälle ermöglicht sie höhere Abgasraten und steigert so den Wirkungsgrad des Turboladers. Allerdings müssen bei ND AGR-Systemen die Bauteile auf der Reinluftseite vor Beschädigung durch Kondensat aus Öl und Ruß oder Partikel aus dem vorgeschalteten Partikelfilter geschützt werden. AGR-Filter verhindern, dass solche Partikel in Turbolader und Motor gelangen. Der Großteil der emittierten Partikel eines Motors misst zwischen 50 und 300 µm. Mit Einführung der Euro 6 limitiert der Gesetzgeber nicht nur die gasförmigen Emissionen und die Partikelmasse, sondern auch die Anzahl der Partikel.

Maximale Filtrationseffizienz ohne Druckverlust

Neben dieser Vorgabe zur Anzahl emittierter Partikel erfüllt das von GKD entwickelte Volumetric Mesh die notwendige Minimierung des Druckabfalls in besonderem Maße. Das belegen aktuelle Laborvergleiche ein- und mehrlagiger Edelstahlgewebe – Quadratmaschengewebe, Volumetric Mesh oder Kombinationen aus beiden Typen. Volumetric Mesh ist durch die spezifische 3D-Gewebebindung deutlich dicker und erzeugt dadurch einen geringeren Druckverlust als das bisher als Filtermedium der Wahl geltende Quadratmaschengewebe. Bei einer Drahtstärke bei Kette und Schuss von jeweils 35 µm beträgt die Gewebedicke eines Quadratmaschengewebes 85 µm, bei Volumetric Mesh 145 µm. Das entspricht 70 Prozent mehr Gewebevolumen bei analogem Materialeinsatz. Damit gewährleistet bei gleicher Luftdurchlässigkeit eine im Mittel nur nahezu halb so große Pore einen deutlich höheren Partikelrückhalt. Da bei Volumetric Mesh die Maschenöffnungen zudem – anders als beim Quadratmaschengewebe – nicht symmetrisch ausfallen, sondern die Porengrößen verteilt auftreten, ist der Partikelabscheidegrad auch erheblich breiter gefächert. Durch diese Gewebeeigenschaft wird die Vorgabe der Euro 6 und möglicherweise folgender Abgasnormen, nicht nur bestimmte Größen, sondern möglichst viele Partikel zurück zu halten, in besonderem Maße erfüllt. Bei mehrlagigen Konstruktionen aus Volumetric Mesh steigt der Druck erwartungsgemäß mit jeder zusätzlichen Lage. Simulationen von GKD belegen jedoch, dass bei einer gleichen mittleren Porengröße der Druckverlust bei einem einlagigen, feinen Volumetric Mesh höher ist als bei einer zweilagigen oder dreilagigen, gröberen Struktur. In weiteren Untersuchungen weist GKD nach, dass auch der Winkel, in dem Gewebelagen aufeinandergelegt werden, über die mittlere Porengröße entscheidet. Im direkten Vergleich von mehrlagigen Konstruktionen aus gleichen oder unterschiedlichen Volumetric Mesh Typen oder Kombinationen aus Quadratmaschengewebe mit Volumetric Mesh erweist sich die Variante aus zweilagigem Volumetric Mesh vom Typ 29451230 durch das Zusammenwirken von kleiner Porengröße und guter Luftdurchlässigkeit als besonders effektiv.

Kompensation von Turbulenzen im Abgasstrom

Neben dieser hohen Filtrationseffizienz laminarisiert Volumetric Mesh im Abgasstrom auftretende Turbulenzen. So verringert es den durch sie verursachten Druckverlust und steigert damit die Gesamteffizienz des Systems. Beständig gegen Temperaturen im Bereich von 300°C bis 850°C sowie gegen korrosive Abgasbestandteile, erfüllt das patentierte Edelstahlgewebe die anspruchsvollen Einsatzbedingungen in der Abgasnachbehandlung. Die dreidimensionale Gewebestruktur lässt sich an jede Einbausituation so anpassen, dass unter Beachtung der konkreten Bauteilform der Differenzdruck minimiert wird. Je nach Filtertyp – reversibel oder irreversibel eingebaut – und der dafür erforderlichen Formgebung des Filtersiebs legt GKD die Konstruktion computerunterstützt auf die spezifischen Anforderungen aus und testet sie in umfangreichen Simulationen.

Ganzheitliche Lösung durch Kombination der Stärken

Die Partnerschaft mit dem Dichtungsspezialisten ElringKlinger schreibt nun diese erfolgreiche Produktgeschichte fort. Neben Engineering, Auslegung und Prototypenbau von hochleistungsfähigen ND AGR-Filtern aus Metallgewebe liefern künftig GKD und ElringKlinger auf Wunsch ein integriertes Bauteil mit Dichtung auf weltweit führendem Niveau. Die jahrzehntelangen Geschäftsbeziehungen von ElringKlinger mit allen relevanten Automobil- und Motorenherstellern unterstützen die Marktdurchdringung der ND AGR-Filter mit Volumetric Mesh und Dichtungen. Die Kunden profitieren von der Zusammenarbeit der beiden technologisch führenden Anbieter für Filtergewebe und Dichtungen durch ganzheitlichen Zugriff auf deren Know-how, aufeinander abgestimmte Prozesse und Großserienproduktion. ElringKlinger ist spezialisiert auf die Integration von Dichtungen in komplexe AGR-Systeme und die Übernahme der Gesamtmodulführerschaft. Ein erstes gemeinsames Projekt wurde Mitte 2013 gestartet. Dabei zeigte sich schnell das Potenzial einer erweiterten Zusammenarbeit, die binnen sechs Monaten vertraglich besiegelt wurde. Erste Prototypen wurden inzwischen an den Kunden geliefert, wo derzeit die Serientauglichkeitsprüfungen laufen. Mit dem Start der Produktion dieses ersten Gemeinschaftsproduktes wird 2015 gerechnet. (qui)

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