EINE GLÜCKLICHE LÖSUNG

NEUES AUS DER MAHLE ENTWICKLUNG: INNOVATIVER LUFTFILTER IN HUFEISENFORM

Verringerter Bauraum, gestiegene Anforderungen an den Fußgängerschutz – das sind nur zwei Beispiele aus dem umfangreichen Lastenheft des neu entwickelten Mercedes-Benz Motors OM 651. Der Vierzylinder-Diesel, der in den stärkeren Versionen mit 2 Turboladern ausgestattet ist, wird aktuell in der C-Klasse (W204, Modelle 200 CDI, 220 CDI und 250 CDI), der E-Klasse (W212, Modelle 220 CDI und 250 CDI) sowie im GLK (125 und 150 kW) verbaut.

Herausforderung für die MAHLE Ingenieure war die Entwicklung eines Luftfilters, der den durch die Vielzahl an Aggregaten äußerst beengten Platzverhältnissen im Motorraum ebenso gerecht wird wie den Auflagen des Fußgängerschutzes.

FUSSGÄNGERSCHUTZ – WAS IST DAS?
Bei den Fußgängerschutz-Anforderungen handelt es sich um Vorschriften des herstellerunabhängigen Crashtest-Programms Euro-NCAP (European New Car Assessment Programme). Diese Vereinigung europäischer Verkehrsministerien, Automobilclubs und Versicherungsverbände hat den sogenannten NCAPCrashtest entwickelt, der aus drei Teilen besteht: dem Schutz erwachsener Insassen, dem Schutz von Kindern, die auf der Rückbank im Auto sitzen – und eben dem Fußgängerschutz.

In Europamüssen Neufahrzeuge seit 2005 bestimmte Grenzwerte zumSchutz von Fußgängern bei Aufprallunfällen einhalten. Dies wird seitens der Hersteller durch eine Vielzahl unterschiedlicher Maßnahmen erreicht – beispielsweise einer weicheren Auslegung der Fahrzeugfronten. Der Fußgängerschutzfaktor eines Fahrzeugs wird von NCAP bewertet und mit der Vergabe von 0 bis 4 Sternen kategorisiert.

WAS BEDEUTET DAS FÜR DIE LUFTFILTER-KONSTRUKTEURE?
Zum Erreichen des geforderten Fußgängerschutzes wurde bei der Neuentwicklung des OM 651 ein Mindestabstand zwischen Motorhaube und dem höchsten Punkt des Luftfiltergehäuses gefordert. Die konstruktiv bedingte Platzierung des Motor-steuergeräts auf dem Luftfiltergehäuse bildete hier eine zusätzliche Heraus-forderung – schließlich musste das Filtergehäuse deshalb nicht nur sehr flach konstruiert werden, sondern auch so ausgelegt sein, dass es das Gewicht des Motorsteuergeräts tragen konnte. Ein weiterer wichtiger Punkt war das Akustik-verhalten des Luftfilters.

Konkret hatten die Luftfilter-Konstrukteure also auf der Agenda:

• Möglichst niedrige Bauhöhe
• Unterbringung der notwendigen Filterfläche, um die geforderten Werte bezüglich Schmutzaufnahme zu erreichen
• Reinluftauslass und Rohlufteinlass nach Kundenvorgabe parallel auf einer Seite (nicht wie gewöhnlich gegenüberliegend)
• Hohe Eigenstabilität und hohe statische Belastbarkeit
• Maximale Robustheit und Steifigkeit, um den hohen thermischen und mechanischen Betriebsbelastungen standzuhalten
• Verringerung der Schallabstrahlung zum Erreichen der vorgeschriebenen akustischen Kundenanforderungen und Geräuschemissionswerte
• Hohe Standzeiten

NICHT RUND, NICHT FLACH – SONDERN HUFEISENFÖRMIG
Mit den bislang im Luftfilterbereich eingesetzten Konstruktionsformen des Rundfilter- oder Platteneinsatzes waren die definierten Lastenheftanforderungen nicht zu erfüllen. Die Lösung lag daher in einem völlig neuen Bauprinzip: der Hufeisenform, innerhalb der sich alle geforderten Eigenschaften konstruktiv umsetzen ließen.

KOMPAKT UND BELASTBAR
Durch geschickte Luftführungsgeometrie unter maximaler Ausnutzung des verfügbaren Bauraumes und korrekt angebrachter Verrippung am Gehäuse wurde trotz der niedrigen Bauhöhe eine hohe Eigenstabilität und Belastbarkeit erreicht. Um bei minimalen Außenmaßen eine große Filterfläche zu erreichen, wurde eine hufeisenförmige Faltenbalggeometrie eingesetzt.

LANGLEBIG
Um eine lange Lebensdauer zu erzielen, wurde bei der Konstruktion großes Augenmerk auf die gleichmäßige Belastung des Filterelements im Gebrauch gelegt. Erreicht wurde diese Homogenität durch die speziell ausgelegte Luftführung im Filtergehäuse. Um die Auslegung des Filters in einem frühen Entwicklungsstadium zu verifizieren, erarbeitete das MAHLE Entwicklungsteam theoretische Berechnungsmodelle.

GERÄUSCHARM
Zur Verringerung der Schallabstrahlung wurde zentral im Luftfilter eine Quer-verstrebung – ein sogenannter Zuganker – platziert.

HIGHTECH AUCH IN DER FERTIGUNG
Neuartige Designkonzepte erfordern oftmals auch Innovationen in der Fertigung. Der neue Luftfilter in Hufeisenform stellte an die MAHLE Filterexperten und ihr Produktions-Know-how etliche Herausforderungen. So ist beispielsweise der Papiereinsatz plastifiziert. Das bedeutet: Die Träger-Kunststoffplatte wird bis zum „teigigen“ Aggregatzustand erwärmt, um den Papiereinsatz in die Kunststoffplatte eindrücken zu können und so nach dem Erstarren des Kunststoffes eine mech-anisch feste und luftdichte Verbindung zu erreichen. Das Kunststoffmaterial selbst muss diesem Druck standhalten und darf sich nicht weiter verformen. Um den Papiereinsatz prozesssicher in die obere und untere Deckscheibe des Poly-propylen-Filtereinsatzes einzudrücken, muss eine hohe Ebenheit der spritz-gegossenen Teile gegeben sein. Zur Verklebung des Papiereinsatzes mit der Aufnahmeplatte für den Luftmassenmesser mussten neue Produktionsprozesse entwickelt werden. Diese sind zwischenzeitlich zum Patent angemeldet und werden heute exklusiv von MAHLE genutzt.

Um die Verbindung zwischen Luftmassenmesser und Aufnahmebohrung lebens-dauerlang dicht zu halten, müssen sehr enge Toleranzen eingehalten werden. Das Fließverhalten des Kunststoffs während des Spritzgießens und der anschließenden Kristallisation wurde in der Entwicklungsphase umfassend berechnet und bildete die Grundlage für die Herstellung der Serienwerkzeuge, die heute eine sichere und stabile Produktion gewährleisten.

NICHT NUR SAUBER, SONDERN REIN
Selbst kleinste Staubpartikel, die bei der Fertigung in das Filtermodul gelangen und beim Betrieb angesaugt werden, können Motorfehlfunktionen verursachen. Daher werden im Lastenheft hohe Anforderungen an die rückstandsfreie Sauber-keit des Filtermoduls gestellt: Zum Schutz der Einspritzanlage mit ihren extrem geringen Toleranzen und minimalen Düsenöffnungen sowie der Turbolader muss der Filter hochreine Anforderungen erfüllen. Um diese zu gewährleisten, wird jeder Filtereinsatz unter Reinraumbedingungen hergestellt und in einem eigens entwickelten Prozess durch spezielle Absaugvorrichtungen gereinigt.

WARTUNGSFREUNDLICH UND MONTAGESICHER
Beim Wechseln des Luftfilterelements muss dieses vom Luftmassenmesser abgezogen und das neue Element wieder aufgesteckt werden. Um eine komfortable Montage und Demontage zu gewährleisten, ist der O-Ring mit einer speziellen Gleitschicht versehen.

Die CAE-(Computer Aided Engineering-)Simulation der Druckverteilung Delta P veranschaulicht das Druckgefälle vom Einlass (rot) bis zum Auslass der gereinigten Luft (blau). Um die maximale Kapazität des Filtermediums auszunutzen, ist die gleichmäßige Druckerzeugung an der Außenseite (vor Eintritt in das Filtermedium) wichtig.