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07.10.2016 | Simulation + Berechnung | Nachricht | Onlineartikel

Fraunhofer-Forscher optimieren Kraftstofffilter per Simulation

Autor:
Christiane Köllner

Filter in Autos müssen immer höheren Ansprüchen genügen. Gleichzeitig sollen die Produkte immer schneller marktreif sein. Eine Simulation unterstützt die Entwickler nun bei diesem Spagat.

Ob Innenraumfilter, Kraftstofffilter oder Öl- und Getriebeölfilter: Filter, die in Fahrzeugen verbaut sind, müssen immer höheren Anforderungen gerecht werden. Die Produkte sind im Betrieb starken Temperaturschwankungen und Vibrationen ausgesetzt, dürfen einen vorgegebenen Bauraum nicht überschreiten und müssen den immer höheren Qualitätsansprüchen genügen – und all das in immer kürzeren Entwicklungszeiten. Eine Simulation unterstützt die Entwickler nun bei diesem Spagat: Sie berechnet alle relevanten Filterdesigneigenschaften – etwa Reinigungsleistung und Standzeit – und erlaubt somit eine effizientere Entwicklung.

Üblicherweise kaufen Filterhersteller das Filtervlies zu und optimieren ihr Produkt, indem sie Faltenlegung, Gehäuseform und die Positionierung von Ein- und Auslassöffnungen variieren. Von den verschiedenen Entwürfen fertigen sie Prototypen, die sie dann auf die gewünschten Eigenschaften hin untersuchen, was teuer und aufwändig ist. Zwar werden bereits Computersimulationen eingesetzt, allerdings berechnen diese häufig lediglich die Strömung durch den Filter. Die Reinigungsleistung oder auch die Standzeiten – also die Dauer, bis ein Filter ausgetauscht werden muss – lassen sich so jedoch nur auf empirischer Basis grob schätzen.

Dynamische Reinigungsleistung simulieren

Forscher am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM geben den Filterentwicklern daher nun eine Simulation an die Hand: Die "Filter Element Simulation Toolbox – Filtest". "Mit unserer Simulation lassen sich auch die Filtervorgänge selbst simulieren", sagt Dr. Ralf Kirsch, Wissenschaftler am ITWM. "Somit können die Entwickler realistische Aussagen zur Reinigungsleistung eines Entwurfs treffen und vorhersagen, wie viel Schmutz im Laufe der Zeit aufgenommen wird." Das Besondere dieser Simulation liege zum einen in der Möglichkeit, Größen zu berechnen, die nicht mit Standardverfahren zu simulieren sind. Zum anderen könne sie analysieren, wie sich diese Eigenschaften im Laufe der Zeit ändern – etwa weil sich der Filter mit den zurückgehaltenen Partikeln zusetzt. Wie schnell verringert sich die Filtrationsleistung? Wie stark fällt der Druck dadurch ab? Und wie wirkt sich das auf das Filtrat aus?

Wollte man dies Pore für Pore und Partikel für Partikel berechnen, wäre der Rechenaufwand nicht zu stemmen, erklären die Forscher. Sie haben daher zu einem Trick gegriffen: Sie simulieren nicht jede einzelne Pore im Filtermedium – ebenso wenig wie die einzelnen Partikel, die den Filter passieren oder dort hängen bleiben. "Stattdessen betrachten wir das Filtermedium als homogenes Kontinuum und arbeiten mit Partikel-Konzentrationen", fasst Kirsch zusammen. Denn für die Filterhersteller sei es unwichtig, welches der vielen Teilchen im Filter hängen bleibt. Sie interessiert lediglich, wie viele Teilchen der Filter insgesamt zurückhält. Und genau dies sollen die Modelle berechnen: Den Anteil der Partikel, die das Filtermedium passieren, sowie den Anteil, der dort verbleibt. Zudem kann die Simulation bestimmen, wie viele Partikel im Laufe der Zeit aufgrund von Ausspüleffekten wieder aus dem Filter ausgewaschen werden.

Prüfung der Filter vorwegnehmen

Für die Anwender bedeute dies eine große Arbeitserleichterung, zudem sollen sie Zeit und Kosten sparen. Denn mit der Simulation könnten sie vorab testen, ob die Filter die ISO-Standards erfüllen – und das, ohne einen Prototypen bauen zu müssen. "Mit unserer Simulation bilden wir einen Großteil dieser ISO-Standards ab", erläutert Kirsch. Auf der Messe Filtech vom 11. bis 13. Oktober 2016 in Köln stellen die Forscher ihre Entwicklung vor.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

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