Fraunhofer ITWM Kraftstofffilter per Simulation optimieren

Numerisch berechnete Strömung durch das Filterelement: Stromliniendarstellung der Fluidgeschwindigkeit.
Numerisch berechnete Strömung durch das Filterelement: Stromliniendarstellung der Fluidgeschwindigkeit.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM haben die »Filter Element Simulation Toolbox – FiltEST« entwickelt, mit denen alle relevanten Filterdesigneigenschaften – etwa Reinigungsleistung und Standzeit – berechnet werden können.

Dr. Ralf Kirsch, Wissenschaftler am ITWM, erklärt: »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 liegt zum einen in der Möglichkeit, Größen zu berechnen, die nicht mit Standardverfahren zu simulieren sind. Zum anderen kann 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?

»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 liegt zum einen in der Möglichkeit, Größen zu berechnen, die nicht mit Standardverfahren zu simulieren sind. Zum anderen kann 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. Die Forscher 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 ist es unwichtig, welches der vielen Teilchen im Filter hängen bleibt. Sie interessiert lediglich, wie viele Teilchen der Filter insgesamt zurückhält. Und genau dies berechnen die Modelle: 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.

Für die Anwender bedeutet dies eine große Arbeitserleichterung, zudem sparen sie Zeit und Kosten. Denn mit der Simulation können 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. Denn damit können viele bisherige Arbeitsschritte eingespart werden. Bislang kaufen Filterhersteller üblicherweise 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 – ein teures und aufwändiges Unterfangen. 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.