Чисте дихання двигуна – Основні засоби
Як відомо, перші конструкції автомобілів повітряних фільтрів не мали. І хоча до початку минулого століття та невелика кількість диму та кіптяви як продуктів життєдіяльності людини розсіювалася на великому просторі і забруднення навколишнього середовища було мінімальним, перші машини ламалися постійно: доріг із твердим покриттям ще не було, і дорожній пил безперешкодно потрапляв у камеру згоряння. Звичайно, дуже швидко виходили з ладу кільця, на стінках циліндрів з'являлися подряпини і задираки, і наслідки цього не змушували довго чекати. Але з початком ХХ ст. екологія почала різко погіршуватися. Швидкими темпами розвивалася промисловість, з кожним роком ставало дедалі більше транспортних засобів.
Фільтри очищення повітря з'явилися порівняно пізно, лише у середині 1930-х років. Перші конструкції фільтрів були далекі від досконалості, а двигуни постійно зазнавали модернізації, спрямованої на нарощування потужності. Дрітові сітки, тканина і масляні ванни не завжди могли забезпечити необхідну чистоту повітряного потоку, що заходить в двигун, потужні перші фільтри займали значне місце в моторному відсіку, а періодичне очищення, що їм потрібне, була справою досить складною. При утилізації продуктів очищення виникали і екологічні проблеми. Інтенсивно велися пошуки раціональніших рішень очищення повітря, і в 1953 р. з'явилася нова система фільтрації, основою якої став паперовий фільтр. За ефективністю ця технологія швидко практично витіснила інерційно-олійні фільтри. У 1957 р. компанія Knecht Filterwerke, сьогодні відома як MAHLE Filtersysteme, запропонувалавикористовувати у фільтрах папір, складену «гармошкою», і запатентував цей винахід під назвою Micro-Star.
Найбільш поширені сьогодні повітряні фільтри мають круглу форму, в них застосовується спірально-складчастий спосіб укладання шару, що фільтрує, тобто використана укладання за типом Micro-Star. Спірально-складчасте укладання дозволяє в еквівалентному обсязі розмістити в 1,5...1,7 рази більше фільтрувального матеріалу, ніж при укладанні іншими способами.
Велике значення для ефективної фільтрації має рівномірність впливу повітряного потоку на всю площу матеріалу, що фільтрує, а в цьому основну роль грає рівномірність укладання, дотримання стандартних зазорів між складками.
Виробництво складчастих фільтрів – складна розробка. Сьогодні отримання «гармошки» здійснюється кількома прийомами. Це або застосування спеціальних сепараторів для поділу складок фільтруючого матеріалу, або поділ складок спеціальними металевими нитками, що наплавляються або наклеюються на матеріал, т.з. Molding технології. Але найбільшого поширення набула технологія, розроблена американською фірмою Flanders Filters, яка запропонувала виготовляти плісирований матеріал методом холодного формування. Також широке застосування сьогодні знайшла технологія плісування методом гарячого або термічного формування.
Значно відрізняються сучасні фільтри від перших розробок. Системи прямого впорскування, що набули поширення на сучасному транспорті, вимагають високого ступеня очищення повітряного потоку і високої надійності роботи, тому в системах, що фільтрують, з'явилися спеціальні патрубки, що відводять прорвалися в картер гази і забезпечують їх рециркуляцію. Крім того, багато повітряних фільтрів оснащуються індикатором забруднення.фільтру, витратоміром маси повітря. А дуже щільне компонування всіх елементів двигуна змушує продумувати захист корпусів фільтрів повітря, встановлювати на них спеціальні теплові екрани.
Необхідність високого ступеня очищення повітря призвела до поширення конструкцій повітряних фільтрів, що складаються із зовнішнього (первинного) та внутрішнього фільтруючих елементів, що надіваються один на інший. Фахівці таких гігантів, як Caterpillar, Hitachi, Komatsu, Vermeer, JCB, Casagrande, Volvo, рекомендують зовнішні та внутрішні повітряні фільтри використовувати тільки спільно, причому зовнішній фільтр міняти вдвічі частіше, ніж внутрішній.
А що ж там усередині?
Повітря навколо автомобіля на дорозі під час руху містить у середньому 0,0003…1,5 г/куб.м пилу. Запиленість багато в чому залежить від пори року, типу дороги, ґрунту, інтенсивності руху та ін. Крім того, в індустріально розвинених районах атмосфера містить велику кількість агресивних хімічних сполук, сажі, розчинників, парів кислот та мікрокрапель палива. Всі ці компоненти негативно впливають на фільтрувальні матеріали повітряних автомобільних фільтрів.
При виготовленні повітряних автофільтрів використовують до 50 різних видів фільтрувальних матеріалів. Найбільшого поширення набули матеріали на основі целюлози, наприклад, бавовняне волокно, що складається на 94...95% целюлози. Але целюлозні матеріали у чистому вигляді мають низку негативних у плані фільтрації властивостей. Насамперед вони гігроскопічні. При відносній вологості повітря 65% ними поглинається до 8% вологи, а за вологості 93…94% – усі 25%. Крім того, якщо при нагріванні до 120 ... 130 ° С помітних наслідків не спостерігається, то при вищій температурі відбувається руйнування волокна. Небайдужі для целюлознихматеріалів та хімічні впливи. Слабкі, 0,5 ... 5%, розчини їдкого лугу не надають помітного впливу на матеріал фільтра, але при більш високих концентраціях відбувається його руйнування. Багато кислот діють на целюлозу руйнівно. Так, 1,5%-на соляна кислота при 90 ... 100 ° С повністю руйнує волокно за 1 год, подібним чином діють і сірчана, і азотна кислоти.
Виробництво фільтрувального паперу є технологічним процесом, в якому враховуються тип волокон, їх довжина і структура переплетення. Розміри пір і розташування їх по поверхні фільтруючого матеріалу – все спрямоване на те, щоб забезпечити максимальну здатність, що уловлює, при найменшому опорі потоку повітря протягом всієї роботи фільтра.
У ході виробництва фільтруючого матеріалу на основі целюлози його піддають просоченню спеціальними складами фенолів, епоксидних та акрилових смол. В результаті з'являється стійкість до впливу води, що міститься в повітрі, агресивних хімічних сполук.
Матеріал фільтра крім вищеперелічених властивостей повинен володіти ще й пламегасящим ефектом, оскільки нерідкі ще випадки, коли, скажімо, недопалок, недбало викинутий з вікна одним водієм, потрапляє в повітропровід машини, що йде слідом. Щоб загоряння не відбулося, крім механічних захисних елементів у вигляді решіток або установки повітроводу спеціальної форми, що ускладнює потрапляння палаючого предмета, провідні виробники просочують фільтрувальний папір спеціальним складом, який практично не знижуючи пропускну здатність фільтра, при контакті такого паперу з розпеченими речовинами призводить до виділення азоту (N2), який пригнічує полум'я. Інші просочувальні матеріали при контакті фільтрувального паперу з вогнем ініціюють виділення води такислот, які також не дають можливості волокнам целюлози спалахнути.
Все частіше фільтрувальні матеріали нового покоління містять синтетичні волокна, наприклад, волокна нітрона і лавсану. Нітронове волокно характеризується міцністю, еластичністю, малою гігроскопічністю. При вологості повітря 65% воно поглинає лише 1% вологи. Нітрон необмежено довго без помітних наслідків витримує температуру 120…130 °С, а обмежений час – температуру 180 °С. Нітрон порівняно з бавовняними та целюлозними матеріалами у кілька разів стійкіший до кислот та органічних розчинників. Важливо й те, що нітрон стійкий до дії мікроорганізмів. Лавсанові волокна мають аналогічні нітронові волокна властивості, але більш стійкі до хімічних реагентів.
За експертними оцінками, високі показники при експлуатації мають фільтри, в яких використовується багатошарове синтетичне гофроване полотно змінної щільності, що містить матеріали з електростатичним зарядом, де зовнішній шар є свого роду фільтром попереднього очищення. Використання такого об'ємного фільтрування дозволяє гарантувати ефективну роботу фільтра при пробігу вантажівки в 100 тис. км і більше, збереження протягом усього періоду експлуатації високої пиломісткості та опірності зволоженню. На жаль, поки що досить висока ціна цього матеріалу стримує його широке поширення.
Який ступінь очищення дає хороший фільтр
Частка абразивного зносу деталей двигуна щодо загального зносу сягає 80%, а південних районах навіть 90%. Основна причина такого зносу ДВЗ - абразивні частинки дорожнього пилу, що проникають у двигун з паливом, але головним чином з повітрям.
Незалежно від конструкції, типу та способу очищенняНайважливішим показником, що характеризує очищувач повітря, є рівень фільтрації, ще іменований ефективністю очищення. Цей параметр вимірюється у відсотках і демонструє частку частинок, граничний розмір яких встановлений вимогами конструкції двигуна і заявлений виробником фільтрів, що уловлюється при проходженні повітряного потоку. Для кращих фільтрів цей параметр становить 99,9%, але, на жаль, така якість очищення можуть забезпечувати фільтри лише найвідоміших виробників: Luber-finer, Mahle, Mann+Hummel, Baldwin Filters, Sogefi Filtration, Hengst та деяких інших. Заради справедливості слід зазначити, що й окремі вітчизняні підприємства випускають фільтри подібної (як заявляється) ефективності.
Ринок пропонує зовні мало відрізняються від фільтрів-лідерів вироби, що очищають, за даними виробників, повітря на 97...99%. Показник начебто непоганий, але якщо підрахувати, що при очищенні з ефективністю 99,9% з 1 кг повітряного пилу в двигун проникає лише 1 г, а при 97% - 30г, то різниця стає очевидною. Тим більше, що середня вантажівка за пробіг у 100 тис. км пропускає через себе обсяг повітря, в якому міститься близько 20 кг пилу.
Відомі дослідження компанії Fleetguard, які при випробуваннях в умовах сильної запиленості фільтра власного виробництва компанії з ефективністю 99,9% показали, що в двигун проникає пилу не більше 0,2 г/мотогодин, тоді як при випробуваннях фільтра з ефективністю 99,5% тих самих умовах двигун отримував близько 1 г пилу протягом мотогодин.
Прогрес зупинити неможливо
Сучасні тенденції автопрому полягають у тому, щоб вкласти більшу потужність у менший обсяг, а також, що стосується саме повітряних фільтрів, підвищити їхню пилоємність з метою збільшеннятривалість інтервалів між необхідним техобслуговуванням. Наприклад, є розробки із застосуванням спеціальних синтетичних картриджів, які можуть працювати в агресивних середовищах при високих температурах. Розробляються нові методи гофрування, що дозволяють зробити модуль на 20% компактнішим, а застосування спірального способу укладання паперу дозволяє за тієї ж площі фільтрації значно зменшити розміри фільтра.
Компанія MANN розробила повітряні фільтри, які регулюють подачу холодного та підігрітого повітря, що забезпечує зниження витрат палива на 3…4%, а також виконує функцію глушення шуму впуску.
Не припиняються розробки конструювання так званих «нульових» фільтрів стосовно серійних автомобілів. Фільтр такого типу властивий мінімальний опір повітряному потоку, при цьому на досить високому рівні відфільтровуються пилові частинки з повітря. Сьогодні «нульові» фільтри коштують досить дорого і багато в чому недосконалі, тому їх встановлюють переважно на спортивних, а також на деяких моделях легкових автомобілів.
Якщо врахувати, що біографія повітряних фільтрів досить коротка, особливо в нашій країні: в Україні вперше стандарт на повітряні фільтри ГОСТ Р 51251–99 почав діяти лише з початку 2000 р., то якісний рух розвитку систем автомобільного очистки повітря очевидний. Але межі досконалості немає. Повною мірою це можна віднести і до повітряних фільтрів.