Synthetische Ölfiltermedien mit Computersimulation optimieren

Mit der Entwicklung neuer, hochleistungsfähiger Motoren steigen die Anforderungen an die Filtermedien. Jedoch sind die technischen Möglichkeiten cellulosebasierter Medien bei bestimmten Anwendungen, etwa bei Getriebeölfiltern, ausgeschöpft. So wird den neuen, synthetischen Fasermaterialien eine große Zukunft prophezeit. Dabei helfen Simulationsprogramme, die Faserstruktur dieser Materialien kosten- und zeitsparend genau auf die Anforderungen des Kunden auszulegen.

Die neuen, synthetischen Fasern eröffnen Filterherstellern in der Entwicklung ungeahnte Möglichkeiten. Im Gegensatz zum Naturprodukt Cellulose lassen sich bei künstlichen Materialien die Dicke und Form der Fasern gezielt auf die Anwendung optimieren, für die sie bestimmt sind. Außerdem bedeuten synthetische Materialien kleinere Faserdurch-messer und damit bessere Abscheidegrade. Jedoch liegen für die neuen Filtermedien von vorneherein keine Messdaten vor, und es wäre mit hohen Kosten verbunden, zahllose Varianten zu erstellen und zu testen.

Programm modelliert Partikelabscheidung in mehrlagigem Filtermedium

Daher hat Mann+Hummel als Hersteller von Filterelementen selbst ein Simulationsprogramm (autoefficiency) entwickelt. Damit wird bereits seit gut vier Jahren im Entwicklungsbereich Filterelemente gearbeitet. Das Programm modelliert die Partikelabscheidung in einem mehrlagigen Filtermedium. Somit lässt sich der zu erwartende Abscheidegrad schnell vorhersagen. Mann+Hummel entwickelt das zunächst für Ölfilter vorgesehene Programm kontinuierlich weiter. Inzwischen kann es auch für die Vorhersage des Abscheidegrads von Luftfiltern eingesetzt werden. Außerdem ist das Programm für die Simulation des für Ölfilter typischen Multi-Pass-Tests geeignet, bei dem der Schmierölkreislauf des Motors nachgestellt wird.

Geht es darum, die Leistungsdaten eines Filtermediums zu berechnen, setzt Mann+Hummel auf eigenes Know-how – mit wissenschaftlicher Unterstützung der Universität Stuttgart. Die Ergebnisse ermöglichen zum Beispiel Vorhersagen zum Abscheidegrad eines Mediums, die deutlich näher an den später tatsächlich gemessenen Werten liegen, als es mit den herkömmlichen Berechnungsmethoden der Fall ist.

Nicht nur, aber auch der steigende Kostendruck und das stark wachsende Umweltbewusstsein machen es erforderlich, den Materialeinsatz immer weiter zu optimieren. Für Filtermedien bedeutet dies, dass die optimale Dicke der einzelnen Lagen und deren Kombinationswirkung bestimmt werden muss. Dabei spielt die Simulation ihr großes Plus aus: Sie berechnet die Schmutzverteilung in den jeweiligen Lagen und macht diese sogar sichtbar.

Anwendungen des Simulationsprogramms liegen im Bereich Ölfilter

Das ist zwar kompliziert, aber für die jüngste, seit Herbst 2006 verfügbare Softwareversion kein Problem mehr. Geodict heißt das Programmpaket, das aus den Labors des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserslautern stammt. Gibt man die Daten für eine dreidimensionale Faserstruktur ein, zum Beispiel den Durchmesser, die Ausrichtung und die Form der Fasern, sowie die Größenverteilung der Partikel, so errechnet das Programm die Leistungsdaten des Filtermediums – und zwar abhängig davon, wo dieses Medium eingesetzt wird und wie viel Schmutz anfällt.

Die damit erzielbaren Ergebnisse sind gut, aber für Mann+Hummel nicht gut genug. Daher wurde der „elektronische Helfer“ den Anforderungen des Filterherstellers angepasst und mit eignen Programmabschnitten zum Verhalten von Partikeln an Fasern weiter optimiert. Vorwiegend kommt das Simulationsprogramm derzeit im Bereich Ölfilter zur Anwendung: bei der Entwicklung innovativer, kostengünstiger Filtermedien aus Mikroglasfasern und synthetischen Vliesmaterialien, den sogenannten Multigrade-Filtern.

Dr. Martin Lehmann ist Leiter der Abteilung SE-EFS – Entwicklung Simulation Filterelemente bei der Mann+Hummel GmbH in Ludwigsburg. Claudia Hüppchen ist Entwicklungsingenieurin in der Abteilung SE-EFO – Entwicklung Ölfilter im selben Unternehmen.