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Praxisberichte

Premiumanbieter setzt auf gebündelte Kompetenzen

ND-AGR-Filter für den Sechszylinder-Dieselmotor als Kooperationsprodukt von GKD und ElringKlinger

Knapp die Hälfte aller in Deutschland neu zugelassenen Autos hat einen Dieselmotor unter der Haube. Entscheidenden Anteil an dieser Erfolgsgeschichte haben Dieselpartikelfilter und -Oxidationskatalysatoren, Abgasrückführungssysteme sowie die selektive katalytische Reduktion, die eine ebenso sparsame wie saubere Kraftstoffverbrennung gewährleisten. Bei der Einhaltung der Stickoxid (NOx)-Grenzwerte nimmt die Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) eine Schlüsselrolle ein. Unverzichtbar sind hierbei hochleistungsfähige ND-AGR-Filter aus dem mehrdimensionalen Volumetric Gewebe der GKD – GEBR. KUFFERATH AG, die Motor und Turbolader auf der Frischluftseite vor schädlichen Partikeln schützen. Auch BMW setzt bei seinem High-End-Sechszylinder-Dieselmotor auf diesen Filter, den GKD und der Automobilzulieferer ElringKlinger AG in einer strategischen Kooperation maßgeschneidert produzieren. Die beiden international unangefochtenen Technologieführer entwickelten für diesen Motor ein Produkt, das Spezialdichtung und Filter in einem Bauteil einbaufertig vereint. Entsprechend optimistisch schauen beide Partner in die gemeinsame Zukunft, wo sich neben einer Vielzahl weiterer ND-AGR-Filter-Anwendungen auch andere Einsatzfelder abzeichnen.

Wachsender Wettbewerb und immer strengere Abgasnormen stellen die Automobilindustrie vor enorme Herausforderungen. Moderne Motoren müssen Agilität, Leistungsstärke, Sauberkeit und Wirtschaftlichkeit vereinen, um auf dem Weltmarkt Bestand zu haben. Je größer und leistungsstärker der Motor, umso schwieriger sind diese Anforderungen unter einen Hut zu bringen. Downsizing heißt die Devise bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, um Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu reduzieren. Mehr Kraft aus weniger Hubraum ist wiederum die Paradedisziplin von Turboladern, weshalb sie in Dieselmotoren schon lange Stand der Technik sind. Zur Einhaltung der vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte – bei NOx seit Einführung der Euro-6-Norm 80 mg/km, bei CO2 bis 2021 Senkung des Flottenmittelwertes von derzeit 130 g/km auf 95 g/km – gilt die Niederdruck-Abgasrückführung insbesondere bei hohen Belastungen als Schlüsseltechnologie. Das Abgas wird hinter dem Partikelfilter entnommen und zusammen mit angesaugter Frischluft vor dem Verdichter am Turbolader dem Motor wieder zugeführt. Dabei gilt es, den Druckverlust innerhalb des Abgasrückführungssystems so gering wie möglich zu halten, damit der Kraftstoffverbrauch nicht ansteigt. Um die Bauteile auf der Frischluftseite vor Beschädigung durch Partikel aus dem Verbrennungsprozess oder vorgeschalteten keramischen Abgasfiltern zu schützen, sind Niederdruck-Abgasfilter unverzichtbar. Mit Volumetric Gewebe beantwortet GKD beide Herausforderungen – minimaler Druckverlust bei maximalem Partikelrückhalt – mit einzigartiger Effizienz. Durch seine spezifische 3D-Gewebebindung ist das Gewebe deutlich dicker als beispielsweise Quadratmaschengewebe. So kombiniert Volumetric Gewebe ein um 70 Prozent höheres Gewebevolumen bei analogem Materialeinsatz mit einem deutlich geringeren Druckverlust sowie einem signifikant breiteren und höheren Partikelabscheidegrad.

Zuverlässiger Bauteilschutz
Als integriertes Bauteil aus dem hochleistungsfähigen Filtermedium und einer Spezialdichtung aus dem Hause der ElringKlinger AG findet dieser AGR-Filter Einsatz in einem Baukastenmotor von BMW. In der bestehenden Plattform wird der Filter in die BMW 5er, den X5 und X6 eingebaut. Schon bei einem Vorgängermodell vertrauten die Ingenieure von BMW auf Volumetric Gewebe von GKD. Die Leistungsfähigkeit des 3D-Gewebes als Polizeifilter vor dem Turbolader prädestinierte es deshalb auch für den Sechszylindermotor. Die Entwicklung des AGR-Filters ist das erste Gemeinschaftsprodukt, das von der Kundenanfrage bis zur Serienauslieferung im engen Schulterschluss der beiden Kooperationspartner GKD und ElringKlinger entstand. Der als Entwicklungspartner nahezu aller internationaler Motoren- und Fahrzeughersteller etablierte Dichtungsspezialist übernahm hierbei die Gesamtmodulführerschaft. Als Global Player in der Automobilindustrie verfügt er über die erforderliche Prozesserfahrung in der Zusammenarbeit mit den OEMs und die notwendigen Zertifizierungen. GKD hingegen ergänzt als Technologieführer im Bereich gewebter Filtermedien neben Volumetric Gewebe jahrzehntelange Kompetenz in Auslegung, Engineering und Fertigung hochleistungsfähiger Filter aus einer Hand. Das in dieser Zusammenarbeit für den Sechszylinder-Dieselmotor entwickelte Dichtungs- und Filtersystem gewährleistet bei einem spezifischen Massenfluss von über 80kg/h einen Druckverlust von weniger als sechs Millibar. Alle Partikel, die eine Größe von 200 µm überschreiten, werden zuverlässig vor dem AGR-Niederdruckstrang abgeschieden. Mit der dauerhaften Beständigkeit gegenüber Temperaturen von mindestens 800 °C, dieselsauren Kondensaten und den thermomechanischen Belastungen bei allen Betriebszuständen erfüllt das System die geforderte Langzeitrobustheit.

Erfolgreiches Co-Engineering
Auf dieser Basis legte die ElringKlinger AG eine auf die vorgegebene Bauraumgeometrie abgestimmte Dichtung aus. Neben der Definition der Abdichtungsart waren dafür auch intensive gemeinsame Überlegungen mit GKD zur Gegendruckoptimierung, besten Filtergeometrie und Herstellbarkeit erforderlich. GKD definierte für die konkrete Einbausituation Druckverlust, Rückhalterate und Stabilität des Volumetric Gewebes. In enger Zusammenarbeit mit GKD prüfte ElringKlinger, wie und in welchen Geometrien das geforderte Medium serientauglich in die Dichtung integriert werden konnte. Denn bei allen Betriebszuständen muss eine hohe Dichtheit gewährleistet sein – im kalten Zustand ebenso wie unter Volllast, bei den gegebenen thermodynamischen Belastungen von – 40 °C bis + 820 °C und den Frequenzbelastungen durch Motorschwingungen und Eigenschwingung des Bauteils. Basis für die Dichtung ist ein hochtemperaturstabiler Edelstahlträger mit entsprechend hochtemperaturfester Beschichtung. Beide Werkstoffe sind zudem äußerst chemieresistent, sodass sie den dieselsauren Kondensaten mit pH-Wert 2, die beim Abkühlen der Abgasanlage bei der Stickoxidumwandlung durch Selective Catalytic Reduction (SCR) entstehen, standhalten. Werkstoffeigenschaften, die das Volumetric Gewebe analog erfüllt. Für die spezifische Flanschgeometrie und Einbausituation des zukünftigen BMW Reihen-Sechszylinder-Dieselmotors konstruierte ElringKlinger eine Dichtungslösung, die das zur Funktion des Gesamtsystems definierte Volumetric Gewebe schlüssig mit der Dichtung in einem Bauteil verbindet. Möglich macht dies ein spezielles, hierfür entwickeltes Werkzeugverfahren. Als einbaufertiges Bauteil erfüllt die Dichtung zwei Kernfunktionen in einem Aggregat: Dichten und Filtern. Für den OEM entfällt dadurch die bisher notwendige Integration der Einzelkomponenten. Neben einfacherem Handling bedeutet das für ihn signifikante logistische und einbautechnische Vorteile.

Starke Synergien
Unterm Strich dauerte dieses erste vom Projektstart bis zur Serienproduktion von GKD und ElringKlinger gemeinsam realisierte Projekt 24 Monate. Dabei gestalteten beide Kooperationspartner den gesamten Entwicklungsprozess beim OEM aktiv mit. So stimmte der Dichtungsspezialist in gemeinsamen Gesprächen mit dem OEM beispielsweise optimale Materialdicken, -auslegungen, Schraubenkräfte oder Abstände, aber auch ergänzende Anforderungen etwa zur Dauerhaltbarkeit nach den ersten Bauteiltests auf dem Motorenprüfstand ab. Bei allen Fragen zum Filtermedium stand ihm GKD zur Seite. Nach der endgültigen Kundenfreigabe von Zeichnung und Modell begann dort die konkrete Fertigung der Filtermedien. Mit detaillierten Prüfverfahren wie Kugel- und Luftdurchlassmessungen, CFD-Simulationen, Zugversuchen und Sauberkeitsanalysen sichert der Gewebespezialist gleichbleibend höchste Qualität des Filtergewebes. Nach knapp drei Jahren enger phasenübergreifender Kooperation ziehen GKD und ElringKlinger ein zufriedenes Fazit der Anfang 2014 beschlossenen strategischen Kooperation. Durch die Kombination der führenden Kompetenzen in den Bereichen Dichtungen und Filtermedien wurden die qualitativen Vorteile der jeweiligen Produkte und Technologien exzellent aufeinander abgestimmt und so für BMW diese integrierte High-End-Lösung entwickelt. Gleichzeitig verspricht diese gebündelte Expertise einen signifikanten Wettbewerbsvorsprung, gibt sie doch auf hochtechnischem Niveau übergreifende Antworten auf drängende Fragestellungen der Automobilindustrie. So arbeiten die Partner bereits an ND-AGR-Applikationen, die die Funktionen Dichten und Filtern in einem Bauteil für Benzinmotoren realisieren. Synergien, die beide Unternehmen auch in anderen Anwendungsfeldern heben wollen – beispielsweise mit der Serienproduktion von Automatikgetriebeplatten mit integriertem Filtergewebe von GKD.

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