Physik in der Motorluftfiltration Stefan Walz 9. April 2008
MANN+HUMMEL GMBH
Intention Warum Motorluftfiltration? Partikel, die von der Umgebungsluft eingetragen werden, können mechanische oder elektronische Bauteile durch Abrasion und Kontamination schädigen.
Abrasion am Kolben durch Partikel > 1 µm
Ablagerung von Partikel auf dem Luftmassenmesser Æ Drift des Ausgangssignals
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Intention Warum Motorluftfiltration? Staubkonzentrationen in Europas Großstädten PM10-Konzentration JMW Paris 23,3 Helsinki 17 London 28 Berlin 27 Stuttgart 25 Graz 36 Brüssel 37 Antwerpen 34 Kopenhagen 25 Budapest 57 Danzig 33 Kattowitz 56 Prag 31 Marseille 29 Barcelona 42 Lissabon 35 Mailand 45 Rom 33 Athen 38 Thessaloniki 40 Istanbul 43 09.04.2008 / MANN+HUMMEL / S. Walz
source: EEA – European Environmental Agency Copyright see ISO 16016
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Intention Warum Motorluftfiltration? Staubkonzentrationen weltweit Niederschlag
Beijing: Chengdu: Guangzhou: Shanghai: Urumqi: Wuhan: Lanzhou:
TSP: 377 µg/m³ TSP: 366 µg/m³ TSP: 295 µg/m³ TSP: 246 µg/m³ TSP: 515 µg/m³ TSP: 211 µg/m³ TSP: 732 µg/m³
Urumqi
Shanghai
Lanzhou
source: World Bank, 1998
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Intention Warum Motorluftfiltration? Staubkonzentrationen weltweit – Tal von Lanzhou
Tal rundherum umgeben von Bergen; Höhe: 500 m - 600 m Fläche: ca. 1.630 km² 1,5 Mio. Einwohner (2001) 310 d/a Inversionswetterlage z.T. 600 m hoch 10 Kohlekraftwerke 110.000 Fahrzeug (2001) Æ Jährliche Zunahme 12.500 Tagesmittelwert TSP [µg/m³]: Sommer: 463 (436 – 513) Winter: 958 (678 – 1.361) Maximalwerte PM10 [µg/m³] in 2001: Niedrige Konzentration: 546 – 990 19 x 4 h – 31 h Hohe Konzentration: 1.015 – 7.326 14 x 4 h – 89 h source: Sci Total Environ. 2004 Mar 29; 320 09.04.2008 / MANN+HUMMEL / S. Walz
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Intention Warum Motorluftfiltration? Staubzusammensetzung 100,0
Volumenverteilungssumme Q3(x)
90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 Ruß B10 (2 spurig) - Probenahmehöhe 1 m B10 (2 spurig) - Probenahmehöhe 2 m feiner Teststaub, ISO 5011 grober Teststaub, ISO 5011
20,0 10,0 0,0 0,0
0,1
1,0
10,0
100,0
1000,0
Partikeldurchmesser x [µm] 09.04.2008 / MANN+HUMMEL / S. Walz
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Intention Anwendung der Motorluftfiltration Anforderungen: Effiziente Filtration Hohe Staubaufnahmefähigkeit Hohe Standzeit Reduzierung der Bauraumanforderungen Optimale Luftströmung Funktionalität unter nassen Bedingungen Akustische Anforderungen Design 09.04.2008 / MANN+HUMMEL / S. Walz
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Intension Anwendung der Motorluftfiltration Design
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Filtration & Separation Anspruchsvolle Mechanismen? Definition von „Filtration“ Mechanische Separation einer dispersen Phase (fest oder flüssig) aus einer kontinuierlichen Phase (flüssig oder gasförmig) mit Hilfe eines Filtermediums Definition von „Separation“ Die Nutzung von adsorptiven und elektrostatischen Effekten oder auch Zentrifugalkräften um Partikel, Tropfen oder Moleküle aus der kontinuierlichen Phase zu separieren Prähistorischer Filter zur Wasserfiltration
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Abscheidemechanismen Partikelabscheidung an der Einzelfaser – Charakteristische dimensionslose Kennzahlen Pe =
Strömungsgeschwindigkeit Partikeldiffusionsgeschwindigkeit
Pe =
St =
v0 DF D
" Bremsweg" des Partikels Größe des Hindernisses
St =
R=
ρ d p2CC v0 18ηDF
Partikelgröße Faserdurchmesser
R=
dp DF
Anhaftung der Partikel auf der Faser durch van-der-Waals-Kräfte SE-EFS: Dr. M. Lehmann 09.04.2008 / MANN+HUMMEL / S. Walz
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Abscheidemechanismen
Fraktionsabscheidegrad [%]
Partikelabscheidung an der Einzelfaser – Effekt der Filtermechanismen
Diffusion
Trägheit
Sperreffekt
0.01 09.04.2008 / MANN+HUMMEL / S. Walz
0.1 1 Partikelgröße [µm] Copyright see ISO 16016
10 SE-EFS: Dr. M. Lehmann 11
Filtrationsprinzip Tiefenfiltration – offene Struktur von Einzelfasern Abscheidung von Partikeln im Filtermedium an den Einzelfasern der porösen Struktur mit weiterer Beladung Anlagerung an abgeschiedenen Partikelstrukturen
v
SE-EFS: Dr. M. Lehmann 09.04.2008 / MANN+HUMMEL / S. Walz
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Filtrationsprinzip Oberflächenfiltration – dichte Struktur von Einzelfasern Abscheidung der Partikel auf der Oberfläche des Filtermediums mit weiterer Beladung Aufbau eines Filterkuchens
v
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Filtrationsprinzip
Druckverlust ∆p
Druckverlustverlauf
Oberflächenfiltration “Kuchenfiltration” Tiefenfiltration “Faserfiltration” Clogging Point
Staubmasse [g] bzw. Zeit [s]
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Analyseverfahren EDX – Energiedispersive Röntgenanalytik Bestrahlung der Probe mit energiereichen Primärelektronen Probe erzeugt Röntgenstahlen Auswertung der Spektrallinien im Röntgenspektrum Identifikation der Elementzusammensetzung der Probe Identifikation der Elemente des Periodensystems Intensität der Spektrallinie lässt Quantifizierung zu
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Analyseverfahren EDX – Linescan Anströmseite 10 gleich große Scanfelder
+1 Gleichmäßige Verteilung über Filtermediendicke + + Scanning von Anströmseite zur Abströmseite + +5 Silizium-Intensität des Feldes im Verhältnis zu + Silizium-Intensität einer reinen Staubfläche + + + + 10 Abströmseite
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Filtermedium Übersicht
Composites
Papier
Vlies
Faserdurchmesser 40 – 15 µm
Faserdurchmesser 15 – 7 µm
Faserdurchmesser MB: 5 - 1 µm NF: 0,5 - 0,05 µm
homogen
progressiv
„Oberfläche“
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(Papier + Nanofasern) (Papier + Meltblown)
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Filtermedium Intensitätsverhältnis / Staubanlagerung - Oberflächenfiltration
Intensitätsverhältnis der Silizium Kα- Strahlung [%] 0
5
10
15
20
25
30
35
0 50
Medientiefe [µm]
100 150 200 250 300 350 400 450
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Filtermedium Intensitätsverhältnis / Staubeinlagerung - Tiefenfiltration Intensitätsverhältnis der Silizium Kα- Strahlung [%] 0
5
10
15
20
25
30
35
0 250 500
Medientiefe [µm]
750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000
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