Фильтра

[Orange 0]

Введение

В 1927 году, в своем вводном труде "Воздушные топливные и масляные очистители в автомобилях", Ханс Катц писал: "Некоторые люди думают, что фильтры - это проходящая прихоть или аксессуар, как электрическая зажигалка для сигары или освещенный электричеством рекламный щит…" Это отношение давно уступило место объективному взгляду на фильтры, эффективно, но незаметно помогающие нормальному функционированию двигателя. Цель моторных фильтров - по основному определению - беречь двигатель от загрязнений, содержащихся в воздухе, топливе и масле.

Износ двигателя

Двигатели внутреннего сгорания - наряду с оборудованием, работающим за счет силы пара или воды, приводами, компрессорами, системами, работающими на жидкостях, промышленным оборудованием - имеют общую проблему: где бы движущие части не соприкасались или сцеплялись друг с другом, возникает трение. Это трение должно быть уменьшено. С этой целью используется приемлемый смазочный материал, обычно минеральное или синтетическое масло, для создания скользящей пленки между движущими частями машины. Это, конечно, возможно, если только смазочное масло остается чистым; если никакие чужеродные частицы, какими бы микроскопическими по размеру они не были, не транспортируются вместе с маслом. Такие частицы могут достичь двигателя в виде песка или пыли с входящим топливом или воздухом.

Где бы ни происходило трение, обнаруживаются металлические абразивы, создающие еще больше металлических частиц, попадающих в масло. Критические области в двигателе - цилиндрические втулки, поршни и поршневые кольца, клапаны, сальники, подшипники коленчатого вала, шатуны (соединительные штоки). Кроме этого, при сгорании возникают продукты сгорания. Если они не отфильтрованы, то чужеродные частицы действуют как абразивная масса, что приводить к значительно ускоренному износу движущихся частей двигателя.

[Orange 0]

Рис. 1: Поршневое кольцо, разрушенное пылью.

Косвенно частицы грязи могут послужить причиной увеличенного износа двигателя, а в худшем случае, быть причиной поломок, например, когда волокна, частички резины или синтетики закупоривают систему снабжения маслом или топливом.

[Orange 0]

Что такое фильтр?

Несмотря на различные функции фильтров и применения, одно общее определение может быть дано всем моторным фильтрам, на основании описанных проблем износа: моторный фильтр должен отсортировывать частицы, приводящие к износу, находящиеся в воздухе, топливе и смазочном масле. Под термином "частицы" специалисты по фильтрам понимают определенный ряд в рамках шкалы размеров крупинок. Фильтр должен быть в состоянии задерживать частицы определенного размера. Основная цель - сократить износ до состояния, эквивалентного тому, что было бы достигнуто, если бы использовались абсолютно чистые средства.

Для этих целей в двигателях используются различные виды фильтров; они отличаются по функции, конструкции и техническому обслуживанию. Вследствие различного использования, различия между воздушными и масляными фильтрами видно особенно четко.

В настоящее время топливные фильтры идентичны масляным фильтрационным системам.

Они отличаются от масляных фильтров следующим:

• Требования относительно стабильности давления менее строги, так как действующее давление ниже, чем в масляной системе.

• Тончайший фильтрующий материал, используемый в них, отличается, так как части в системе питания имеют близкие допуски.

• И, наконец, топливные фильтры не должны быть оборудованы обводными клапанами.

Топливные фильтры могут быть скомбинированы с приспособлениями для отделения воды и для обогрева дизельного топлива.

[Orange 0]

Рис. 2: Моторные фильтры:

1.Топливный фильтр

2.Масляный фильтр

3.Воздушный фильтр

Важнейшими критериями при производстве фильтра являются требования, которым он должен соответствовать. Тем не менее, требования, определяющие форму моторного фильтра, в последние годы стали более важными. В то время, как Ханс Катц делал замечания относительно "определенного нарушения общей картины" двигателя, нынешние дизайнеры фильтров должны сделать больше, нежели соответствовать эстетическим взглядам:

• Аэродинамика современного автомобиля, с резко наклоненными передними секциями и более низкими камерами двигателя ограничивает доступное для использования пространство, и оставляет меньше места для двигателя.

• Тем не менее, требования к моторным фильтрам относительно доступности и более легкого технического обслуживания поднялись.

• Тенденция к более длинным интервалам между техосмотрами автомобиля требует более долгого срока эксплуатации фильтра.

• Меньшие допуски у подшипников в двигателях и тенденция к более мощным двигателям означает использование еще более тонкой фильтрации частичек грязи, чем раньше.

• Наконец, являясь частями, подлежащими частой замене, моторные фильтры испытывают постоянный прессинг по стоимости.

Критерии, предъявляемые к фильтрам.

Существует много способов описания действия фильтров для двигателя. Для инженера важно иметь надежные критерии для тестирования фильтрующих материалов. Только с измерениями, которые можно репродуцировать, он может предвидеть, как поведет себя новый продукт на практике.

КПД отделения (сепарации) - один из наиболее важных факторов, характеризующих фильтр. Он обозначается греческой буквой . КПД отделения показывает, какой процент количества частичек грязи в соответственной среде отделяется путем фильтрации.

При более близком рассмотрении, имеется в виду общее КПД отделения, когда загрязнители смешаны, т.е. их рассматривают вне классификации по размерам крупинок. На практике, тем не менее, обычно интересно знать, крупинки какого размера были отфильтрованы, так же, как и качество. В этом случае, говорят об относительном КПД отделения и относят к специфическому ряду размеров (диаметр вnм).

Аналогом КПД отделения является проход загрязнения. Хотя здесь практически та же информация дана с другой точки зрения, инженеры по фильтрации часто предпочитают использовать этот термин, поскольку он описывает более ясно степень загрязнения, которому подвергается двигатель на практике. Если два типа фильтров имеют КПД отделения 99.9% и 99.6%, кажется, что они почти эквивалентны друг другу. Тем не менее, их степень прохода загрязнения - 0.1% и 0.4% соответственно - представляет их различие более заметно в соотношении 1:4 для двух типов фильтров.

Почти так же важно для оценки качества фильтра его вместимость грязи. На основании этой информации и ожидаемых условий применения, можно определить срок эксплуатации фильтра. Это важно для дизайна фильтров, так как с определенными резервами использования, это должно совпадать с интервалом техобслуживания, определенным производителем машин. Если фильтр постепенно закупоривается при увеличении количества загрязнения в среде, сопротивление потоку очищаемой среды тоже увеличивается. Результатом является увеличивающиеся потери энергии и, в конце концов, ухудшенная смазка.

Сопротивление потоку определяется измерением разницы давлений на входе и выходе фильтра, и обозначается как р. Дифференциальное давление имеет тенденцию увеличиваться с увеличением срока использования фильтра. В каждом конкретном случае производитель двигателей указывает максимальный показатель, которого может достичь сопротивление потоку. Этот показатель определяет лимит вместимости грязи, таким образом, показывая, когда необходимо почистить или поменять - в зависимости от типа фильтра.

Следующим важным критерием для фильтров является размер пор фильтра или разряд. Обычно эти термины используются для бумажных фильтров либо фильтров из похожих материалов, и описывают диаметр частичек, которые проходят через поры фильтрующего материала. Говорят об абсолютном разряде фильтров, когда обнаруживается наибольшая частица спектра размера зерна - независимо от количества. Тем не менее, при изучении эффекта износа, более важную информацию дает средний размер пор фильтра. Этот термин обозначает размер частиц, когда 50% загрязнения среднего размера проходит через фильтр, а 50% задерживается фильтром.

Хотя эти базовые термины хорошо могут описать фильтры, может понадобиться дополнительная детальная информация для определения качества фильтра, например, размер и структура эффективной поверхности фильтра, толщина и плотность фильтрующей среды, и др. Наряду с точными определяющими критериями и лабораторным тестированием, обязательно проводится дополнительное тестирование в условиях реального использования, поскольку только такие тесты могут дать информацию о влиянии условий реальной окружающей среды.

[Orange 0]

Воздушные очистители.

Входящий воздух

Двигатель внутреннего сгорания требует топлива - "Элементарно", скажете Вы. Тем не менее, в лучшем случае, это только половина правды, поскольку на самом деле двигатель с электрическим зажиганием или дизельный двигатель нуждается для работы также и в воздухе для окисления топлива. Только смесь возгорается. Пропорция топлива к воздуху может варьироваться в сравнительно узком спектре. Например, для двигателя с электрическим зажиганием для полного сжигания одного килограмма топлива надо получить около 14 кг воздуха. Если предположить, что машина компактного размера после этого пройдет около 10 км, то для прохождения 100 км двигатель должен получить около 173.5 куб.м. воздуха. На практике, используется воздух окружающей среды, а он загрязнен неисчислимым количеством частиц грязи. Таким образом, очиститель воздуха необходим.

Вопрос, сколько пыли и в каких размерах частиц будут угрожать двигателю во время его службы - тот самый вопрос, на который должны ответить дизайнер двигателя при помощи расчетов и тестирования. Когда ответ на этот вопрос получен, можно определить, какая вместимость грязи подходит для интервалов техобслуживания, желаемых для производителя двигателя. Используя объем двигателя, скорость двигателя (об/мин), количество цилиндров и количество необходимого топлива, можно вычислить максимальную воздушно-пропускную способность для желаемого фильтра.

Основываясь на опыте производителя фильтров MANN+HUMMEL, существуют приближения точности: для двигателей электрического зажигания воздушно-пропускная способность 0.07 куб.м/мин на киловатт - хорошее приближение, дизельные двигатели требуют 0.08 куб.м/мин на киловатт, а турбодвигатели даже больше.

[Orange 0]

Рис. 3: 500 г пыли - было найдено в картридже воздушного фильтра автобуса 200-kW после 10000 км пробега.

Концентрация пыли в воздухе.

Еще труднее ответить на вопрос о концентрации пыли и распределении ее по размерам. Соотношение между условиями теста и реальными условиями дороги на практике часто неудовлетворительное. Именно поэтому реальные данные о составе пыли собираются по всему миру и заносятся в каталоги и классификации. Средние показатели концентрации пыли (мг/куб.м)для типичных случаев приведены ниже:

• Грузовой автомобиль в нормальном европейском движении -0,6.

• Грузовой автомобиль в неевропейском движении -3.

• Грузовой автомобиль вне дорог (строительство) -8.

• Автобус с задней подачей воздуха в нормальном европейском движении -5.

• Автобус с задней подачей воздуха в неевропейском движении -30.

• Строительное оборудование (автопогрузчики, тракторы) -35.

• Дорожно-уборочные машины -8.

• Фермерский трактор в Центральной Европе -5.

• Фермерский трактор на неевропейских территориях и уборочные машины, работающие в одиночку -15.

• Уборочные машины, работающие в сопровождении -35.

• Высокоскоростные автомобили -100.

Можно заметить, что концентрация пыли зависит не только от географических и климатических условий, но и от типа применения и размещения фильтра. Эти факторы определяют количество пыли, которое должно быть отфильтровано из воздуха. Погодные условия (влажный или сухой) и дорожные условия (асфальт с твердым покрытием или едва обновленное дорожное покрытие) имеют такое же влияние на содержание пыли в воздухе, как и плотность и частота дорожного движения, влияющие на "смесь" пыли и воздуха.

Поскольку оседающая пыль аккумулируется ближе к земле, отверстия для забора воздуха сгорания всегда располагаются выше на тех автомобилях, которые подвержены забору большего количества пыли, чем другие, например, на фермах или строительстве. Это важно, поскольку КПД отделения фильтра остается тем же самым, независимо от концентрации пыли. При увеличении концентрации пыли общее количество пыли, от которого двигатель должен быть защищен, увеличивается и это сокращает интервал службы фильтра. Поглощение больших количеств выхлопных газов очистителем воздуха вследствие его неправильного размещения также значительно укорачивает срок службы бумажных фильтров.

[Orange 0]

Как результат своего дизайна, воздухозаборник автобусов с задним положением двигателя располагается в невыгодно грязном месте. Поэтому воздушный фильтр эксплуатируется в плохих условиях. Идеальное расположение воздухозаборника - в верхней передней части автотранспортного средства (грузовые автомобили часто забирают воздух через трубу над кабиной); наименее благоприятное место нижней задней части. Воздухозаборник должен быть также защищен дефлектором (отражателем) против дождя и водяной пыли. В процессе использования в фильтры воздухозаборника могут попадать частицы различного происхождения.

[Orange 0]

Сухие воздушные фильтры.

Когда говорят о фильтрах для забираемого воздуха, обычно имеют в виду т.н. "сухой воздушный фильтр". Определение "сухой" отличает их от "влажных" или "инерционно-масляных воздухоочистителей", в которых жидкость принимает участие в отделении частичек пыли от входящего воздуха.

Бумажные фильтры преобладают в фильтрации входящего воздуха, поскольку это гарантирует высокую - и что более важно - равномерную очистку во всех диапазонах загрузки. Поэтому значительно более низкая концентрация пыли и только маленькие частицы проходят через эти фильтры, в отличие от инерционно-масляных воздухоочистителей. Легкое обслуживание, независимо от расположения, и возможность более гибкого приспособления благоприятствует использованию воздушных бумажных фильтров.

Бумага как фильтрующее средство

Фильтрующая бумага - это почти всегда специальная техническая бумага строго определенного состава, структурой волокна и пористостью. Волокнистый материал может варьироваться значительно - от целлюлозы до хлопка или синтетики. Поскольку сырьевой материал для фильтров должен отвечать строго определенным требованиям, связанным с КПД отделения при обозначенных условиях использования, стали обычными несколько тестовых процедур для определения пористости фильтрующей бумаги.

Тест на качество для фильтрующей бумаги

Наиболее часто используемый метод - так называемый тест воздушных пузырьков, определяющий эквивалентные размеры пор. Тем не менее, условия проведения теста являются важным фактором, влияющим на результаты: поэтому их нужно предоставлять совместно с результатами. Проще говоря, тестируемая бумага пропитывается строго определенной жидкостью, и после этого ее подвергают тестированию давлением. Например, большие поры требуют низкое давление при тестировании, для маленьких пор нужно высокое давление. Первый пузырек воздуха, который появляется, является математическим эквивалентом наибольшей существующей поре; равномерное покрытие поверхности тестируемого объекта дает информацию о среднем распределении размеров пор. Хотя этот метод служит только для сравнения одной бумаги с другой, используя дифференциальное давление, его достаточно легко использовать, и он очень точен.

На практике он вполне пригоден для сравнения различных фильтрующих средств. Однако он не может полностью заменить тесты на отделение с использованием частичек, которые все-таки преобладают, например, т.н. прямой метод. Особенно это используется для определения вместимости пыли, которая зависит от структуры фильтрующей бумаги. Структуру, конечно, трудно оценить даже под микроскопом. Воздействие на одну сторону фильтрующей бумаги в отличие от другой привело к ошеломляющему различию в сроке службы фильтра. Это связано с фактом, что "грубая" поверхность позволяет аккумулировать больше пыли, чем сравнительно гладкая.

Пропитка и геометрия складок

Первичный материал становится фильтром только после того, как его подвергли обработке. Для того чтобы фильтрующая бумага могла противостоять механическому, термальному и климатическому воздействию, фильтрующая бумага почти всегда подвергается пропитке. В настоящее время современные синтетические смолы используются в водном, спиртовом или ацетоновом растворе. Смола окутывает волокна фильтрующей бумаги и связывает их друг с другом так, что они переплетаются между собой. При осторожном нагреве смолы могут конденсироваться: окончательные характеристики фильтрующей бумаги устанавливаются таким образом. Наиболее важным фактором в этом процессе является то, что наиболее выдающиеся характеристики правильно пропитанной бумаги (объем пор, размер пор, волокнистая структура) не должны отличаться от тех, которыми обладает бумага в исходном состоянии. Единственной целью пропитки бумаги является ее усиление для использования.

До того, как пропитка смолами полностью схватилась, фильтрующую бумагу подвергают дополнительной обработке: тиснению. До сушки пропитанная фильтрующая бумага имеет термопластичное свойство при температурах от 20 до 100 градусов. Это означает, что она легко повторяет внешнюю форму. Эта форма остается и после сушки. Рабочая поверхность воздушного фильтра грузового автомобиля приблизительно размером с комнату: от 10 до 12 кв. м. И эта поверхность должна размещаться в сравнительно маленьком картридже фильтра, и в то же время таким образом, чтобы вся поверхность фильтра оставалась рабочей. Это достигается умной геометрией изгибов, которые очень легко складываются в форму фильтра.

[Orange 0]

Для обеспечения эффективного использования всей поверхности фильтрующей бумаги, с одной стороны, и продления времени использования при пульсирующих воздействиях работающего двигателя (предотвращая скомкивание фильтрующей бумаги), с другой стороны, бумага гофрируется специальным образом, чтобы между складками было пространство. Т.н. неравномерности не дают складкам стать острыми углами. Нужно помнить, что максимальная рабочая поверхность - это не единственная цель. Такие параметры, как толщина бумаги, геометрия отдельных складок и скорость входного потока тоже должны отражаться в дизайне. Гофрирование должно производиться таким образом, чтобы оригинальная структура бумаги сохранялась. Повреждение структуры бумаги может привести к уменьшению КПД отделения.

В заключение, необходимо отметить, что фильтрующая бумага используется не только в воздушных фильтрах, но и для фильтрации масла.

[Orange 0]

Формы воздушных фильтров

Найдя оптимальную геометрию гофрированных складок, дизайнер фильтров должен затем перейти к форме фильтра, оптимально расположенного в пространстве транспортного средства. Форма фильтра, которая кажется приемлемой в конкретном случае, зависит также и от того, насколько хорошо она может адаптироваться к основным правилам воздушного потока и фильтрации. Наиболее распространенными стали две типичные формы для элементов с фильтрующей бумагой: плоские и цилиндрические. Элементы плоского типа часто позволяют размещение больших фильтрующих поверхностей, чем цилиндрического типа. Преимуществом является стабильность и то, что уплотнение по кромке относительно картриджа фильтра менее критично. В легковых автомобилях плоские фильтры становятся более популярными, в то время как кольцевые преобладают в грузовых автомобилях из-за их большей стабильности. Общим для всех кольцевых фильтров является поступление входящего воздуха через внешнее устройство и выход очищенного воздуха из центрального отвода. Цель каждого дизайнера фильтров - создать максимально возможную фильтрующую область в доступном пространстве, не пренебрегая оптимальным пространством между складками. Критерии для оптимального бумажного фильтра могут быть обобщены следующим образом:

• Использование высококачественной фильтрующей бумаги.

• Правильная геометрия складок.

• Оптимальная форма элемента.

• Адекватная стабильность и надежная плотность фильтрующего элемента.