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Motortechnik: Von Filtern und Vliesen

Finstere Gesellen wie Rußpartikel, Kohlenwasserstoffe, Staub und Metallabrieb machen sich bei der Verbrennung im Motor breit. Filter sollen ihnen das Handwerk legen.

Filter in Nutzfahrzeugen müssen Drücke von über 20 bar aushalten, Temperaturen bis 140 Grad widerstehen und jede Menge Partikel schlucken. Reichte noch zu Beginn der Motorisierung ein Stück Filz aus, um das gröbste aus Motoröl, Diesel oder Luft zu holen, handelt es sich bei Filtern heute um hoch technisierte und aufwendig herzustellende Produkte.

Das Filz-Vlies ist jetzt ein Hightech-Produkt

Veränderte Verbrennungs- und Einspritzverfahren, neue Kraft- und Schmierstoffe, variable Ventiltriebe, innovative Aufladungstechniken und nicht zuletzt immer strengere Abgasgrenzwerte haben die Entwicklung vom Filz-Vlies zum Hightech-Produkt vorangetrieben. Wie sich die Filtertechnik im Lauf der Zeit entwickelt hat, zeigt unter anderem die Motorölfilterung. Allein die Wechselintervalle des Motoröls haben sich angesichts von Ölzustandssensoren und optimierten, vollsynthetischen Schmierstoffen in den vergangenen 20 Jahren verdreifacht.

Die ersten Motoren arbeiteten noch mit Nebenstromfilter. Über eine Leitung zweigten die Konstrukteure einen Teil (rund zehn Prozent) des Ölstroms ab, filtrierten ihn und führten anschließend das Öl dem Hauptstrom wieder zu. Schwachpunkt dieses Prinzips: Der Nebenstrom war zwar von Partikeln gereinigt, der größere restliche Teil des Öls enthielt aber weiter Teilchen, die die empfindlichen Zylinderlaufflächen beschädigen konnten. Das änderte sich erst mit der Hauptstromfilterung. Dabei zeigt sich in der Praxis aber eine andere Schwierigkeit: Setzt sich der Filter im Laufe der Zeit zu, lässt er immer weniger Öl durch, gleichzeitig steigt der Druck an der Filteraußenseite an und das Filtermedium droht zu kollabieren. Die Lösung des Dilemmas brachte ein Überdruckventil, inzwischen eines der wichtigsten Bauteile im Filtergehäuse.

Bypass baut verstopftem Ölfilter vor

Droht der Ölfilter zu verstopfen, öffnet das Druckventil einen Bypass und verhindert damit, dass der Motor zu wenig oder überhaupt kein Öl mehr bekommt. Dabei strömt das Öl augenblicklich am Filtermedium vorbei zum Motor. Die Ölversorgung ist somit zwar aufrechterhalten, doch gelangt ungefiltertes Öl an die Schmierstellen. Es besteht also die Gefahr, dass abrasive Teilchen den Motor schädigen.

Auch der Kaltstart bei extrem tiefen Temperaturen kann zum Öffnen des Druckventils führen. Wenn sich das zähflüssige Motoröl nur unter erhöhtem Differenzdruck durch das Filtermedium pressen lässt, öffnet es ab einem bestimmten Druckanstieg. Damit das Druckventil unter normalen Einsatzbedingungen von Ölwechsel zu Ölwechsel eben geschlossen bleibt, muss der Filter eine möglichst große Schmutzaufnahmekapazität besitzen. Hier unterscheiden sich Qualitätsfilter von Billigprodukten.

Filterhersteller wie Mann und Hummel, Mahle oder Hengst bauen schon längst nicht mehr allein Filtereinsätze. Seit Jahren geht der Trend zur modularen Bauweise, die eine Reihe von Funktionen einschließt. Mit der Abgasnorm Euro 6 gehören dazu unter anderem die Kühlung des Motoröls, der Luftmassenmesser oder die Blow-by-Gas-Filterung.

Herausforderung Wechselintervall

Eine gewichtige Herausforderung stellen gleichzeitig verlängerte Wechselintervalle dar. Über ausreichend hohe Standzeiten entscheidet vor allem die Wahl des Filtermediums. Gegen den Filz-Filter setzte sich schnell Papier, also Cellulose, durch. Je nach Fahrzeug und Einsatz werden aber inzwischen auch Mischfasern oder mehrlagige Filter verwendet, beispielsweise eine mit einem Spinnvlies gekapselte Glasfaserlage. Ebenso arbeiten die meisten Kraftstoff- und Luftfilter mit Cellulose oder Mischungen aus synthetischen Fasern sowie Glasfasern. Die Entwicklung geht zu immer feineren Filtermedien und vollsynthetischen Filterelementen.

Beispiel Motorölfilter: "Unser Filterelement aus einer Mischfaser aus Cellulose und Polyester für die aktuellen MAN-Motoren bietet einen Abscheidegrad von deutlich über 99 Prozent bei einer Partikelgröße von 38 Mikrometern", sagt Matthias Weller,  Mann-Filter-Produktmanager für Lkw und Busse beim Filterhersteller Mann und Hummel. Eine wichtige Rolle spielt die Faseranordnung des Filtermediums. An der Außenseite liegen die Fasern nur lose beieinander, in Richtung Innenseite sind sie zunehmend dichter miteinander verflochten. Durch diese Struktur dringt Feinschmutz weit in das Filtermedium ein, während gröbere Partikel an der Außenseite abgehalten werden.

Filterkuchen wird immer dicker

Die sich auf dem Filter sammelnden Partikel bilden den Filterkuchen. Im Laufe der Filtration nimmt seine Schichtdicke zu. Einerseits kann sich die Leistungsfähigkeit des Filters dadurch erhöhen, dass die auf der Oberfläche bereits vorhandenen Partikel weitere Schmutzteilchen daran hindern, in den Filter vorzudringen. Viele Filter erreichen daher erst nach kurzer Anlaufzeit ihre angegebene Leistung. Setzt sich der Filter mit der Zeit aber zu stark zu, steigt auch der Strömungswiderstand entsprechend. Dabei nimmt der Volumenstrom durch den Filter entweder ab oder der steigende Druck bewirkt eine Kuchenkompression. Der Filterkuchen verdichtet dann schlagartig und verstopft den Filter komplett.

Je feiner das Filtermedium, desto schneller setzt es sich naturgemäß zu. Damit dennoch vernünftige Standzeiten zu realisieren sind, versuchen die Hersteller, die Oberfläche des Filtermediums so groß wie möglich zu halten. "Das Luftfilterelement von Mann Filter für den Mercedes Actros der dritten Generation deckt eine Fläche von rund 12,5 Quadratmetern ab", sagt Matthias Weller. Abgewickelt kommt das Papier auf eine Seitenlänge von mehr als 30 Metern.

Filter müssen mit wenig Platz zurecht kommen

Gleichzeitig gestehen Motorenentwickler den Filterkomponenten immer weniger Bauraum zu. Es geht also nicht ohne Platz sparende Abmessungen. Um eine möglichst große Fläche kompakt in ein Gehäuse zu bekommen, sind Falttechniken im Einsatz, die manchen Origamikünstler zum Staunen bringen dürften. Das gefürchtete  Zusammenkleben der entstehenden Falten verhindern kleine, in das Material geprägte Stege. Vor ätzenden Säuren, die sich vor allem beim Kaltstart des Motors bilden, schützt eine Imprägnierung der Fasern mit Phenolharz. Gleichzeitig gibt sie dem Filtermedium mehr Stabilität. Damit das Filtermaterial durch den beim Motorbetrieb entstehenden Druck nicht in sich zusammenfällt, stützt es zusätzlich ein Kunststoffrohr im Innern des Gehäuses.

Weiter erhöht die Stabilität eine dichte Verbindung der Filterfalten zu den Endscheiben des Filters. In der Vergangenheit dienten dazu Metalldeckel mit einer Dichtung, die mit dem Papier verklebt waren. Die Verklebung riss aber oft ein und das Öl strömte samt Partikeln am Filter vorbei zum Motor. Hier behelfen sich die Hersteller inzwischen mit einer eleganteren Lösung: Das Filtermedium ist direkt in Kunststoff-Endkappen oder auch in Folienendscheiben eingeschweißt. Das Filterpapier weist so eine festere Verbindung auf und soll sich zudem umweltschonender entsorgen lassen, da es rückstandslos verbrennt.

Biodiesel setzt dem Filter besonders zu

Eine jüngere Belastungsquelle ist die Beimischung alternativer Kraftstoffe im Diesel. Zwangsläufig sammelt sich dadurch auch im Motoröl Biodiesel an. Bei hohen Temperaturen entstehen aggressive Bedingungen, die dem Filter zusetzen. Es kommt zu starker Nitration des Öls. Durch den diffundierenden Stickstoff versprödet das Material, die Schmutzaufnahmekapazität sinkt und der Filter verliert seine Funktionsfähigkeit. Das Rezept gegen solche Stickstoffattacken: mehr­lagige Filter und Kunststofffasern. Filterspezialist Mann und Hummel setzt bei seinen aktuellen Filterelementen auf ein Medium aus Cellulose- und Polyester-Mischfasern. 

Wie empfindlich mittlerweile die Einspritzsysteme moderner Lkw-Motoren sind, zeigt auch die Fertigung von Kraftstofffilter. Produziert wird in einem nach EN ISO 14644 zertifizierten Reinraum. Wände, Decken und Böden sind Schmutz abweisend. Belüftet werden die Räume über eine definierte Luftwechselrate. Damit keine Partikel von außen eindringen, ist der Druck leicht höher als in den ihn umgebenden Werkshallen.

Neuester Trend: Nanofasern

Auch ein hoher Feinstaub- und Rußgehalt in der Luft setzt den hochsensiblen Einspritzsystemen und Komponenten des Motors zu. Beim Betrieb von Fahrzeugen in schadstoffbelasteter Umgebung setzt Mann und Hummel bei Luftfiltersystemen inzwischen auf Nanofasern. Die Filter bestehen aus einem Trägermedium, auf das feinste Polymerfasern in hauchdünnen Schichten aufgebracht sind. Die Fasern besitzen einen Durchmesser von weniger als einem Mikrometer und sind somit 80 bis 300 Mal kleiner als die Fasern des Trägermaterials.

Die Leistung des Filters erhöht sich mit der  zur Verfügung stehenden größeren Oberfläche, erheblich. Labortests mit 0,7 Mikrometer großen Partikeln haben laut Mann und Hummel einen Abscheidegrad des Trägermaterials von 40 Prozent nachgewiesen. Mit der Nanofaserbeschichtung soll sich der Abscheidegrad auf 99,97 Prozent erhöhen.

Exkurs: Rotierende Teller

Mit Einführung der Abgasnorm Euro 6 in Europa ist das Ableiten der Leckageströmung Blow-by-Gas ins Freie nicht mehr erlaubt. Für die aktuellen 10,5- und 12,4-Liter-Reihensechszylinder-Motoren von MAN in Euro 6 hat Mann und Hummel ein Ölfiltermodul entwickelt, das die Ölnebelabscheidung zusammen mit Ölfiltration und Ölkühlung in einem Gehäuse vereint. Zur Blow-by-Gas-Abscheidung integriert Mann und Hummel einen Tellerseparator im Modulgehäuse, den Haldex und Alfa Laval in einem Joint Venture zusammen entwickelt haben. Das System arbeitet mit Zentrifugalkraft und setzt sich aus konischen Tellern zusammen, die von dem zu reinigenden Kurbelgehäusegas durchströmt werden. Ein durch einen Teil des Ölvolumenstroms bedarfsgerecht angetriebener bürstenloser Elektromotor treibt dabei eine Turbine an. Diese lässt die Teller mit über 8.000 Umdrehungen pro Minute rotieren. Das Gas ist dabei der 2.500-fachen Erdbeschleunigung ausgesetzt, wodurch die Öltropfen förmlich herausgesaugt, an die Innenwand des Separators geschleudert und in die Ölwanne zurückgeleitet werden.

Andreas Wolf lastauto omnibus

Autor

Foto

Andreas Wolf, Mann und Hummel

Datum

4. März 2013
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