DE10107034B4

DE10107034B4 - Device for extending the chemical life of a filter medium

Info

Publication number: DE10107034B4
Application number: DE2001107034
Authority: DE
Inventors: Dr. Harenbrock Michael
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: DE10107034A1

Abstract

Vorrichtung zur Verlängerung der chemischen Standzeit eines Filtermediums, welches in einem Ölkreislauf eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei das Öl durch ein im Ölstrom angeordnetes Bauelement geleitet wird, und wobei das Bauelement Substanzen enthält, die in der Lage sind, für das Filtermedium schädliche Stickoxide oder Reaktionsprodukte aus Stickoxiden, Wasser und Verbrennungsrückständen aus Kraftstoffen aus dem Ölstrom chemisch zu zersetzen und/oder zu binden, wobei die Substanzen chemisch an eine Imprägnierung des Bauelements angebunden sind und die Anbindung an die Imprägnierung durch die Einführung einer kondensationsfähigen chemischen Gruppe in die Imprägnierungssubstanz realisiert ist, wobei die Imprägnierung Phenolharz oder Acrylat ist.Device for extending the chemical service life of a filter medium which is arranged in an oil circuit of an internal combustion engine, the oil being passed through a component arranged in the oil flow, and the component containing substances which are capable of nitrogen oxides or reaction products which are harmful to the filter medium chemically decomposing and / or binding nitrogen oxides, water and combustion residues from fuels from the oil stream, the substances being chemically bound to an impregnation of the component and the connection to the impregnation being realized by introducing a condensable chemical group into the impregnation substance, the impregnation is phenolic resin or acrylate.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

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 Vorrichtung zur Verlängerung der Standzeit solcher Filtersysteme gemäß den Ansprüchen.The present invention relates generally to oil filter systems. It relates in particular to those filter systems which are used in the filtration of engine oils of gasoline engines. More particularly, the invention relates to a device for extending the life of such filter systems according to the claims.

Hintergrund der Erfindung, Stand der TechnikBackground of the Invention, Prior Art

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.Oil performs a number of important tasks in internal combustion engines. The engine lubricating oil reduces the friction and thus the wear of metallic components, dissipates heat, seals the combustion chamber and cleans the engine compartment by removing and dispersing impurities. Engine oils are thus contaminated during operation by combustion particles, foreign substances and abrasion particles. So that these so-called primary particles no damage in the engine, z. B. cause by blocking of lubrication gaps or on the generation of Sekundärverschleißpartikeln, which can lead to a reduction in engine life, these particles must be removed from the oil circuit.

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.The most widely used method of controlling such contaminants is the use of a mainstream filtration system. In such a system, oil that is moved by a pump will pass through a filter before being directed to the individual machine components. This ensures that all the oil is subjected to at least minimum filtration. However, such a mainstream system always compromises the ability of the oil to flow through the filter media and the filter's ability to remove particulate matter.

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.In a mainstream filtration system, particulate contaminants are removed from the oil by depth filtration. The arrangement of fibers in the filter medium results in openings or passages through which the oil can flow. In this case, particles that are larger than these openings or passages are retained, while smaller particles can pass through them. Currently known mainstream oil filters generally exhibit a 90-95% removal rate of particles larger than 40 microns. Although this removal rate greatly reduces the possibility of catastrophic damage to the machine by the circulation of large particles, these filters provide minimal protection against wear. Studies have shown that most of the wear of machine components is caused by the circulation of particles in the range of 5-20 microns. This particle size is much smaller than that which a conventional mainstream filtration system can remove with significant effectiveness. Although a closer arrangement of the fibers in the filters can increase the efficiency of the removal of smaller particles can be achieved, but at this point comes the already mentioned compromise situation into play.

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 fllterabwärts. 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.As the fiber density in the filters is increased, it is more difficult for the oil to flow through the filter. As the flow resistance increases, the flow volume and oil pressure decreases downstream. To compensate for this reduction, one could increase the surface area of the now denser filter. However, in order to obtain a corresponding pressure drop, comparable to conventional mainstream systems, and at the same time be able to achieve a sufficient filtration rate of particles in the range of 5-20 microns, the surface would have to be increased many times. In general, however, this is impractical from the point of view of size and cost.

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.In addition, especially in the automotive industry, the trend is towards smaller and smaller units while at the same time increasing oil flow rates due to the limited space available. In addition, these oils are exposed to operating conditions in modern cars that can lead to increased thermal or chemical damage.

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.One way to improve oil filtration is therefore to provide a second or bypass filtration system. Secondary flow filtration systems are used in addition to existing mainstream systems and differ from these in several respects. First, only a small portion of the output of the oil pump is directed to the bypass filter. The volume is normally between 5 and 10% of the total amount supplied to the components of the machine. After the oil has passed the bypass filter, it is returned to the machine. Due to the fact that the bypass filter does not process large flow rates, the tightness of the filter medium can be much greater. Not only does this allow improved removal efficiency for smaller particles, it also often allows the removal of other contaminants that are not retained by conventional mainstream filters.

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.A major problem with the filter media used today is that particularly in the combustion in the gasoline engine substances are formed that are particularly harmful to the filter media. These are z. For example, reactive chemical compounds such as acids that are made Combustion gases and water are formed (eg, nitrous acid), oxidation products of the fuel (eg, organic acids, alcohols, ketones and aldehydes), water, hydroperoxides, and their reaction products with each other. These components can be the filter medium, which consists mainly of cellulose and a suitable impregnation, by z. As acid hydrolysis, esterification, etherification or radical attack so far weaken that the mechanical strength of the medium is greatly reduced. However, a minimum strength is imperative due to the operational safety. These substances therefore drastically reduce the chemical life of the filter media.

Eine besondere Rolle spielen dabei die Stickoxide, die allgemein mit NO_x 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. Beispielsweise wird auf US 6077491 A und die JP 06126131 A verwiesen.A special role is played by the nitrogen oxides, which are generally designated NO _x . Some processes for denitrification have been developed, such. As the SCR (Selective Catalytic Reduction), a technique in which the exhaust gas stream ammonia (NH ₃ ) or urea (CO (NH ₂ ) ₂ ) is added. However, this method is mainly used in stationary systems. Conversion rates of up to 80% have become known, however, the NO content must be known, since an excessive addition of the reducing agent would lead to an ammonia emission. For example, it will open US 6077491 A and the JP 06126131 A directed.

Aus den Druckschriften WO 96/02617 A1 , US 4997546 A , US 5225081 A , US 5478463 A und US 5042617 A sind Vorrichtungen mit Substanzen bekannt, welche Schadstoffe aus Schmieröl chemisch binden oder zersetzen. Insbesondere beschreibt die US 5042617 A ein Filterpapier, welches mit einer Dimethylsulfoxid-Lösung von einem Diisocyanat und anschließend mit einer Lösung von Tetraethylen-Pentamin behandelt wird.From the pamphlets WO 96/02617 A1 . US 4997546 A . US 5225081 A . US 5478463 A and US 5042617 A Devices are known with substances which chemically bind or decompose harmful substances from lubricating oil. In particular, the describes US 5042617 A a filter paper which is treated with a dimethylsulfoxide solution of a diisocyanate and then with a solution of tetraethylene-pentamine.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

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.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a device which allows to increase the chemical life of filter media used in internal combustion engines of motor vehicles.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.These and other objects are achieved by the device according to claim 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.Further advantageous embodiments are contained in the subclaims.

Detaillierte Beschreibung des AusführungsbeispielsDetailed description of the embodiment

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. Erfindungsgemäß handelt es sich auch um Reaktionsprodukte aus NO_x, Wasser und Verbrennungsrückständen aus Kraftstoffen.By a detailed analysis of the aging reactions of waste oils, it is possible to identify the harmful for the filter medium compounds that are formed during the driving operation of the motor vehicle. These are similar to those that can be made harmless in the catalytic converter by urea. According to the invention are also reaction products of NO _x , water and combustion residues from fuels.

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.By using chemical substances in the oil circuit of internal combustion engines, which can chemically decompose or bind these pollutants, thus, the substances harmful to the filter medium can be removed from the oil stream.

Dabei können diese Substanzen z. B. als Schüttgut in ein Haupt- oder Nebenstromölfilter bzw. -bauelement eingebracht werden. Erfindungsgemäß geschieht der Zusatz von chemischen Verbindungen aber dadurch, dass die Substanz chemisch an die Imprägnierung des Filtermediums angebunden wird. Erfindungsgemäß erfolgt dies bei häufig eingesetzten Phenolharzimpragnierungen durch Einführung einer kondensationsfähigen chemischen Gruppe, z. B. einer Alkylolgruppe. Vergleichbare Lösungen für Acrylat als erfindungsgemäßen alternativen Impragnierstoff sind analog denkbar.These substances may, for. B. be introduced as bulk material in a main or Nebenstromölfilter or -bauelement. According to the invention, however, the addition of chemical compounds takes place in that the substance is chemically bound to the impregnation of the filter medium. According to the invention, this is done with frequently used Phenolharzimpragnierungen by introducing a condensable chemical group, eg. B. an alkylol group. Comparable solutions for acrylate as alternative impregnant according to the invention are conceivable analogously.

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.In principle suitable for binding and decomposition are substances, as u. a. also be used as support materials in chromatography, such as silica gel, diatomaceous earth, calcium carbonate and alumina. Furthermore, substances are suitable which make the pollutants harmless via adsorption and subsequent decomposition via acidic or basic functional groups, such as. B. zeolites. Furthermore, catalytically active substances, such as metals and metal compounds, for example metal oxides, are suitable. The selection of the (filling) substance is based on the chemical resistance of the pollutants to be destroyed. So z. B. acids from the combustion process by basic substances harmless. If these substances are used as bulk material in a component, the grain size must be so high that flooding into the oil circuit is reliably prevented. Useful are particle sizes from 10 microns, preferably in the range of 20-100 microns.

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.The device according to the invention allows an extension of the chemical life of filter materials used in gasoline engines. In order to guarantee the required mechanical strength of the filter medium at extended oil change intervals, the conventional cellulose is reinforced by the addition of synthetic fibers in modern filter materials, however, which leads to cost increases for these so-called mixed fiber media. By lowering the chemical load due to the thermal decomposition of the pollutants can be dispensed with these reinforcing fibers, so that cheaper filter media can be used.

Claims

Apparatus for extending the chemical life of a filter medium disposed in an oil circuit of an internal combustion engine, wherein the oil is passed through a device arranged in the flow of oil, and wherein the device contains substances which are capable of harmful nitrogen oxides or reaction products for the filter medium Chemically decompose and / or bind from nitrogen oxides, water and combustion residues from fuels from the oil stream, wherein the substances are chemically bonded to an impregnation of the device and the connection to the impregnation is realized by the introduction of a condensable chemical group in the impregnation substance, wherein the impregnation is phenolic resin or acrylate.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the substances consist of substances which have acidic or basic functional groups.

Apparatus according to claim 2, characterized in that the substances are catalytically active substances.

Apparatus according to claim 3, characterized in that the catalytically active substances include metals and metal compounds.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is the chemical group is an alkylol group.