DE10107034A1

DE10107034A1 - Vorrichtung zur Beseitigung von Schadstoffen aus Ölen

Info

Publication number: DE10107034A1
Application number: DE2001107034
Authority: DE
Inventors: Michael Harenbrock
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: DE10107034B4

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Beseitigung von Schadstoffen aus Ölen, insbesondere Schmierölen in Kraftfahrzeugen, vorgestellt, wobei das Öl durch ein im Ölstrom angeordnetes Bauelement geleitet wird. Das Bauelement enthält Substanzen, die in der Lage sind, die Schadstoffe chemisch zu zersetzen und/oder zu binden. Diese werden entweder als Schüttgut verwendet oder chemisch an die Imprägnierung des Filtermediums angebunden. Dadurch werden für das Filtermedium schädliche Stoffe aus dem Ölstrom entfernt und die chemische Standzeit des Filtermediums beträchtlich erhöht.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Ölfiltersysteme. Sie betrifft insbesondere solche Filtersysteme, die bei der Filtration von Motorölen von Otto-Motoren eingesetzt werden. Ganz speziell betrifft die Erfindung eine Verlängerung der Standzeit solcher Filtersysteme.

Hintergrund der Erfindung, Stand der Technik

Öl erfüllt in Verbrennungsmaschinen eine Reihe von wichtigen Aufgaben. Das Motorenschmieröl verringert die Reibung und somit den Verschleiß metallischer Komponenten, führt Wärme ab, dichtet den Brennraum ab und reinigt den Motorraum durch Ablösen und Dispergieren von Verunreinigungen. Motorenöle werden im Betrieb somit durch Verbrennungspartikel, Fremdstoffe und Abriebpartikel verschmutzt. Damit diese sogenannten Primärpartikel keine Schäden im Motor, z. B. durch Verblocken von Schmierspalten oder über die Erzeugung von Sekundärverschleißpartikeln hervorrufen, die zur Verringerung der Motorlebensdauer führen können, müssen diese Partikel aus dem Ölkreislauf entfernt werden.

Die meistverwendete Methode, solche Kontaminierungen zu kontrollieren, ist die Verwendung eines Hauptstrom-Filtersystems. In einem solchen System wird Öl, das von einer Pumpe bewegt wird, durch ein Filter hindurchtreten, bevor es zu den einzelnen Maschinenkomponenten geführt wird. Dies stellt sicher, dass das gesamte Öl zumindest einer minimalen Filtration unterworfen wird. Ein solches Hauptstrom-System stellt jedoch immer einen Kompromiss zwischen der Fähigkeit des Öls, durch das Filtermedium zu fließen und der Fähigkeit des Filters, Partikel zu beseitigen dar.

In einem Hauptstrom-Filtersystem werden teilchenförmige Kontaminierungen durch Tiefenfiltration aus dem Öl entfernt. Die Anordnung von Fasern im Filtermedium resultiert in Öffnungen oder Durchgängen, durch die das Öl fließen kann. Dabei werden Partikel, die größer als diese Öffnungen oder Durchgänge sind, zurückgehalten, während kleinere Partikel durch diese hindurchgelangen können. Derzeit bekannte Hauptstrom-Ölfilter zeigen im allgemeinen eine 90-95%ige Entfernungsrate von Partikeln, die größer als 40 Mikrometer sind. Obwohl diese Entfernungsrate die Möglichkeit eines katastrophalen Schadens für die Maschine durch die Zirkulation von großen Partikeln sehr reduziert, bieten diese Filter doch nur einen minimalen Schutz vor Verschleiß. Studien haben gezeigt, dass der Großteil des Verschleißes von Maschinenkomponenten durch die Zirkulation von Partikeln im Bereich von 5-20 Mikrometer verursacht wird. Diese Teilchengröße ist sehr viel kleiner als die, die ein herkömmliches Hauptstrom-Filtersystem mit einer signifikanten Effektivität entfernen kann. Durch eine engere Anordnung der Fasern in den Filtern kann zwar eine Erhöhung der Effizienz der Entfernung von kleineren Partikeln erreicht werden, an dieser Stelle kommt jedoch die bereits angesprochene Kompromiss-Situation ins Spiel.

Sobald die Faserdichte in den Filtern erhöht wird, ist es für das Öl schwieriger, durch das Filter hindurchzufließen. Wenn der Fließwiderstand größer wird, verringert sich das Durchflussvolumen und der Öldruck filterabwärts. Um diese Verringerung zu kompensieren, könnte man die Oberfläche des jetzt dichteren Filters vergrößern. Um aber einen entsprechenden Druckabfall zu erhalten, der den konventionellen Hauptstrom-Systemen vergleichbar ist, und gleichzeitig eine ausreichende Filtrationsrate von Partikeln im Bereich von 5-20 Mikrometer erzielen zu können, müsste die Oberfläche um ein Vielfaches vergrößert werden. Im allgemeinen ist das jedoch aus dem Blickwinkel von Baugröße und Kosten nicht praktikabel.

Zudem geht, vor allem in der Automobilindustrie, der Trend aufgrund des begrenzten Platzangebots, zu immer kleineren Einheiten, während sich gleichzeitig die Ölflussraten erhöhen. Außerdem werden diese Öle in modernen PKW Betriebsbedingungen ausgesetzt, die zu einer verstärkten thermischen oder chemischen Schädigung führen können.

Eine Möglichkeit, die Ölfiltration zu verbessern, ist daher die Bereitstellung eines zweiten oder Nebenstrom-Filtersystems. Nebenstrom-Filtersysteme werden zusätzlich zu den existierenden Hauptstrom-Systemen verwendet und unterscheiden sich von diesen in mehrerlei Hinsicht. Zunächst wird nur ein geringer Teil des Ausstoßes der Ölpumpe zu dem Nebenstrom-Filter geleitet. Das Volumen beträgt normalerweise zwischen 5 und 10% der Menge, die den Komponenten der Maschine insgesamt zugeführt wird. Nachdem das Öl das Nebenstrom-Filter passiert hat, wird es in die Maschine zurückgeleitet. Aufgrund der Tatsache, dass das Nebenstrom-Filter keine großen Flussraten verarbeitet, kann die Dichtheit des Filtermediums sehr viel größer sein. Dies erlaubt nicht nur eine verbesserte Effektivität für die Entfernung kleinerer Partikel, sondern gestattet oft auch die Entfernung anderer Kontaminationen, die von konventionellen Hauptstrom-Filtern nicht zurückgehalten werden.

Ein großes Problem bei den heutzutage verwendeten Filtermedien liegt darin, dass insbesondere bei der Verbrennung im Otto-Motor Stoffe gebildet werden, die besonders schädlich für die Filtermedien sind. Es handelt sich hierbei z. B. um reaktive chemische Verbindungen wie Säuren, die aus Verbrennungsgasen und Wasser gebildet werden (z. B. salpetrige Säure), Oxidationsprodukte des Kraftstoffs (z. B. organische Säuren, Alkohole, Ketone und Aldehyde), Wasser, Hydroperoxide, sowie deren Reaktionsprodukte untereinander. Diese Komponenten können das Filtermedium, das hauptsächlich aus Cellulose und einer geeigneten Imprägnierung besteht, durch z. B. saure Hydrolyse, Veresterung, Veretherung oder radikalischen Angriff so weit schwächen, dass die mechanische Festigkeit des Mediums stark reduziert ist. Eine Mindestfestigkeit ist jedoch aufgrund der Betriebssicherheit zwingend erforderlich. Durch diese Stoffe wird daher die chemische Standzeit der Filtermedien drastisch reduziert.

Eine besondere Rolle spielen dabei die Stickoxide, die allgemein mit NOX bezeichnet werden. Einige Verfahrung zur Entstickung sind entwickelt worden, so z. B. das SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction), eine Technik, bei der dem Abgasstrom Ammoniak (NH₃) oder Harnstoff (CO(NH₂)₂) zugegeben wird. Dieses Verfahren wird jedoch überwiegend bei stationären Anlagen angewendet. Konversionsraten von bis zu 80% sind bekannt geworden, allerdings muss der NO-Gehalt bekannt sein, da eine zu große Zugabe des Reduktionsmittels zu einer Ammoniak-Emission führen würde.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat demzufolge die Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es gestattet, die chemischen Standzeiten von Filtermedien, die in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen verwendet werden, zu erhöhen.

Diese und weitere Aufgaben werden durch das Filter nach Anspruch 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Durch eine genaue Analyse der Alterungsreaktionen von Altölen ist es möglich, die für das Filtermedium schädlichen Verbindungen, die während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs gebildet werden, zu identifizieren. Diese ähneln denen, die im Abgaskatalysator durch Harnstoff unschädlich gemacht werden können. Insbesondere handelt es sich um Reaktionsprodukte aus NO_X, Wasser und Verbrennungsrückständen aus Kraftstoffen.

Durch die Verwendung von chemischen Substanzen im Ölkreislauf von Verbrennungsmotoren, die diese Schadstoffe chemisch zersetzen oder binden können, lassen sich somit die für das Filtermedium schädlichen Stoffe aus dem Ölstrom entfernen.

Dabei können diese Substanzen z. B. als Schüttgut in ein Haupt- oder Nebenstromölfilter bzw. - bauelement eingebracht werden. Der Zusatz von chemischen Verbindungen kann aber z. B. auch dadurch geschehen, dass die Substanz chemisch an die Imprägnierung des Filtermediums angebunden wird. Dies ist bspw. bei häufig eingesetzten Phenolharzimprägnierungen durch Einführung einer kondensationsfähigen chemischen Gruppe, z. B. einer Alkylolgruppe, möglich. Vergleichbare Lösungen für alternative Imprägnierstoffe wie Acrylat, Epoxid, usw., sind analog denkbar.

Prinzipiell geeignet zum Binden und Zersetzen sind Stoffe, wie sie u. a. auch als Trägermaterialien in der Chromatographie eingesetzt werden, wie Kieselgel, Kieselgur, Calciumcarbonat und Aluminiumoxid. Ferner sind Stoffe geeignet, die über Adsorption und anschließende Zersetzung über saure oder basische funktionelle Gruppen die Schadstoffe unschädlich machen, wie z. B. Zeolithe. Des weiteren sind katalytisch aktive Substanzen wie Metalle und Metallverbindungen, bspw. Metalloxide, geeignet. Die Auswahl des (Füll-)Stoffes erfolgt nach Gesichtspunkten der chemischen Beständigkeit der zu vernichtenden Schadstoffe. So werden z. B. Säuren aus dem Verbrennungsprozess durch basische Stoffe unschädlich gemacht. Werden diese Stoffe als Schüttgut in einem Bauelement eingesetzt, so muss die Korngröße so hoch sein, dass ein Ausschwemmen in den Ölkreislauf zuverlässig verhindert wird. Sinnvoll sind Korngrößen ab 10 µm, bevorzugt im Bereich von 20-100 µm.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine Verlängerung der chemischen Standzeit von in Otto-Motoren verwendeten Filtermaterialien. Um die benötigte mechanische Festigkeit des Filtermediums bei verlängerten Ölwechselintervallen garantieren zu können, wird in moderneren Filterwerkstoffen die herkömmliche Cellulose durch Zusatz von Kunstfasern verstärkt, was jedoch zu Kostenerhöhungen für diese sogenannten Mischfasermedien führt. Durch die Senkung der chemischen Belastung durch die thermische Zersetzung der Schadstoffe kann auf diese Verstärkungsfasern verzichtet werden, so dass preiswertere Filtermedien eingesetzt werden können.

Claims

1. Vorrichtung zur Beseitigung von Schadstoffen aus Ölen, insbesondere Schmierölen in Kraftfahrzeugen, wobei das Öl durch ein im Ölstrom angeordnetes Bauelement geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement Substanzen enthält, die in der Lage sind, die Schadstoffe chemisch zu zersetzen und/oder zu binden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kieselgel, Kieselgur, Calciumcarbonat uns Aluminiumoxid.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen aus Stoffen bestehen, die saure oder basische funktionelle Gruppen aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen Zeolithe sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Substanzen um katalytisch aktive Substanzen handelt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Substanzen Metalle und Metallverbindungen beinhalten.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen als Schüttgut verwendet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut eine Korngröße von mehr als 10 µm, bevorzugt 20-100 µm aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut in einem Haupt- und/oder Nebenstromfilter angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen chemisch an eine Imprägnierung des Bauelements angebunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung durch die Einführung einer kondensationsfähigen chemischen Gruppe in die Imprägnierungssubstanz realisierbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der chemischen Gruppe um eine Alkylolgruppe handelt.