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Praxisberichte

ND-AGR-Filter mit 3D-Gewebe

Lebenslanger Bauteilschutz ohne Druckverlust

In enger Partnerschaft entwickeln Automobilhersteller und Zulieferer immer neue Lösungen, um den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen zu verringern. Zum Spektrum effizienzsteigernder Produkte bei Dieselmotoren zählen Niederdruck Abgasrückführungs-(ND-AGR-) Systeme. Sie arbeiten auf der Reinluftseite hinter dem Partikelfilter mit einem Polizeifilter, um Motor und Turbolader vor Ruß und abrasiven Partikeln zu schützen. Ein großer deutscher Automobilhersteller beauftragte die Continental Emitec GmbH Gesellschaft für Emissionstechnologie GmbH (Emitec), Spezialist für Abgasnachbehandlung mittels metallischer Katalysatorträger und Partikelfilter, mit der Entwicklung einer neuen Generation von ND AGR-Filtern, die Partikel und Ruß ohne Druckverlust filtern. Als Filtermedium wählte der Automobilhersteller das innovative Volumetric Gewebe der international führenden technischen Weberei GKD –  GEBR. KUFFERATH AG.

Die Verschärfung der Abgasgrenzwerte in Europa verlangt von der Automobilindustrie enorme Innovationsanstrengungen, um den Kraftstoffverbrauch bei unverändertem Leistungsniveau der Motoren zu senken. 2012 galt für CO2-Emissionen noch ein Flottenmittelwert von 130 g/km, bis 2020 wird er um 27 Prozent auf 95 g/km gesenkt. Für jedes Gramm Überschreitung müssen die Hersteller dann pro Fahrzeug 95 Euro Strafe zahlen. Die Autoindustrie setzt deshalb schon seit einigen Jahren bei Dieselmotoren auf sogenannte Zweikreis-Abgasrückführungssysteme, um die CO2-Emissionen bei Personenkraftwagen zu reduzieren. Im Bereich hoher Belastungen ist das ND-AGR-System besonders effektiv, bei niedrigeren Belastungen das Hochdruck-(HD)-AGR-System. Bei der Niederdruck-AGR wird das Abgas hinter dem Dieselpartikelfilter entnommen, gefiltert, durch den AGR-Kühler geleitet und wieder zum Ansaugsystem des Motors geführt. Damit durch diesen Prozess der Kraftstoffverbrauch nicht steigt, muss der Druckverlust innerhalb des Abgasrückführungssystems so gering wie möglich gehalten werden. Gleichzeitig gilt es jedoch, auf der Reinluftseite des Partikelfilters die Bauteile vor Beschädigung durch unerwünschte Partikel zu schützen. Abgebrochene Teile des vorgeschalteten keramischen Partikelfilters müssen ebenso zuverlässig zurückgehalten werden wie leistungsmindernde Ruß- oder Ölpartikel.

Im Jahr 2009 beauftragte ein führender deutscher Automobilhersteller die Continental Emitec in Lohmar mit dem Design eines neuen Niederdruck Abgasreinigungsfilters für PKW und leichte Nutzfahrzeuge bis 3,5 Tonnen. Die damit verbundene Vorgabe an die Continental Emitec-Entwickler lautete, abrasive Partikel von über 0,2 Millimeter Größe und Ruß ohne Druckverlust zu filtern und dadurch lebenslangen Bauteilschutz ohne Kraftstoffmehrverbrauch zu gewährleisten. Um die Effizienz der Abgasrückführung nicht zu beeinträchtigen, lag die Herausforderung darin, eine Lösung mit möglichst geringem Strömungswiderstand bei der Filtration zu finden. Entscheidender Lösungsbaustein war ein neuartiges Filtermedium von GKD.

Volumenporosität für effektive Tiefenfiltration
Anders als die in bisherigen ND-AGR-Systemen eingesetzten Metallvliese ermöglicht das neue Volumetric Gewebe von GKD durch seine wesentlich höhere Volumenporosität eine effektive Tiefenfiltration. So halten die Fadenbündel des 3D-Gewebes neben zerstörerischen Partikeln auch Rußpartikel unterschiedlichster Größe, wie sie durch einen geschädigten Partikelfilter oder Rußschlupf nach der Regeneration des Partikelfilters auftreten können, sicher zurück. Die patentierten Filtermodule in neuartiger Pad-Form lösen die bislang gängige Beutelform der Filtermedien ab. 2010 entschloss sich der Automobilhersteller zum Wechsel der Filtermedien und spezifizierte die GKD-Pads als Setzteil für die Dieselmotoren ein. Auf dieser Basis schuf Continental Emitec die notwendigen Rahmenbedingungen für den Einsatz der Gewebebauteile. So entwickelte der Abgasnachbehandlungsspezialist ein auf die Filterbauteilform maßgeschneidertes Gehäuse, das den hohen Thermowechselbelastungen des Motors lebenszeitlang standhält und die erforderlichen Eigenschaften exakt erfüllt. GKD lieferte dafür die fertig konfektionierten Ronden mit aufgestelltem Rand an Continental Emitec.

Kleine Schritte, große Wirkung
Im ersten Schritt fertigte Continental Emitec handgearbeitete Musterteile der Gehäuse, um die Filtermedien im Labor und im Fahrzeug zu testen. Auf diese Prototypen folgten sukzessive die Erstellung von Kleinserienwerkzeugen und schließlich die Produktion der Großserienwerkzeuge. Die Ergebnisse der serienreifen ND-AGR-Filter von Continental Emitec sprechen für sich: Das System spart durch den niedrigen Druckverlust im nachgelagerten Polizeifilter 1 bis 2 g/km CO2 ein. Hochgerechnet auf 2 Millionen Autos und einer durchschnittlichen Fahrleistung von 18.000 km pro Jahr verspricht dieser Wert eine jährliche Reduktion von 36.000 Tonnen CO2-Emissionen oder 13,6 Mio. Liter Kraftstoff. Jedes Gramm CO2, das so eingespart wird, bedeutet für den Automobilhersteller Vorsprung im Wettbewerb um Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit. Der ND-AGR-Filter gilt deshalb als weiterer Meilenstein, schärfste Abgasgrenzen und niedrigen Verbrauch in eine nachhaltige Balance mit intelligenten Lebenszykluskonzepten zu bringen.

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