Повітряні фільтри: особливості конструкції

Для повного згоряння горючої суміші потрібно, щоб у її складі містилося повітря (за масою) в 15–20 разів більше, ніж палива. Середньостатистичний автомобіль за стокілометровий пробіг «проковтує» від 12 до 15 м³ атмосферного повітря. Без очищення останнього вся тверда суспензія (головним чином, пил), що міститься в повітрі, потрапить усередину двигуна й діятиме на пари тертя як абразив.

Єдиною перешкодою для механічних часток, які можуть надходити разом із повітрям у ДВЗ, є повітряний фільтр, і ті, хто економить на його встановленні, піддають свою техніку великим ризикам під час її експлуатації. Повітряні фільтри знайшли своє застосування як у легкових і вантажних автомобілях, так і в мобільній сільськогосподарській техніці, машинах та обладнанні важкої промисловості. Задля захисту від передчасного спрацювання ДВЗ та агрегатів потрібно регулярно оцінювати технічний стан і вчасно міняти повітряні фільтри відповідно до рекомендацій заводу- виробника.

Функція повітряних фільтрів полягає у видаленні мінерального пилу, сажі, вугілля та інших забруднень із повітря перед процесом його змішування з паливом у системі впорскування. Попадання з повітрям будь-яких забруднювальних компонентів, навіть найдрібніших, у циліндри двигуна може спричинити пошкодження його стінок, поршневих кілець і власне поршнів. Повітряні фільтри забезпечують надійний захист від проникнення забруднень у системи ДВЗ і таким чином підвищують його ресурс.

Є досить багато типорозмірів фільтрів, призначених для одного й того самого ДВЗ, що пояснюється насамперед бажанням виробників захистити конструкцію свого виробу. Підготовка форми під виробництво фільтра — процес доволі трудомісткий. Особливо складна його розробка, оскільки місце для розміщення фільтра зазвичай обмежене й нерідко має свою специфіку.

В міру засмічення фільтрувального елемента його опір повітряному потоку зростає, а відтак зменшується кількість повітря, що надходить для сумішоутворення. В певних режимах це зумовлює збагачення суміші й спричинює неповне її згорання. Відповідно, знижуються показники потужності двигуна, збільшується витрата палива й підвищується концентрація токсичних речовин у вихлопних газах. Словом, із формальних позицій гранично допустимий опір повітряного фільтра — це межа, після якої фільтрувальний елемент із помічника перетворюється на ворога. Невипадково цей показник є визначальним для вибору конструкції фільтра і матеріалів, із яких його виготовляють.

Щодо класифікації систем очищення повітря, то їх прийнято розподіляти на відповідні групи, по-перше, за кількістю ступенів очищення, а по-друге — за принципами вловлювання пилу. Таким чином, розрізняють одно-, дво- й триступінчасті системи, які своєю чергою розподіляють на шість груп очисників вибору:

сухі інерційні з відбором відсепарованого пилу в бункер;

сухі інерційні з відсмоктуванням пилу стороннім пристроєм;

сухі інерційні з викидом пилу в атмосферу;

інерційно-масляні;

із фільтрувальними елементами, які змочені мастилом;

із сухими елементами, що мають фільтрувальну перегородку.

Показники ефективності кожного з них можуть бути використані для оцінки нижніх меж ефективності під час очищення атмосферного повітря, запиленість якого перебуває на максимальному рівні, встановленому нормами (0,5 мг/м³), або перевищує його не більше ніж удвічі. Характеристика фільтра «ефективне вловлювання» передбачає ефективність очищення від забруднень на рівні, близькому до 100%.

До фільтрів І і II класів відносять переважно волокнисті фільтри з різною товщиною та щільністю фільтрувального матеріалу. Зокрема, фільтри І класу характеризуються здатністю вловлювати й достатньо надійно утримувати на сухих фільтрувальних поверхнях частки пилу всіх розмірів — від тих, що вимірюються десятими й навіть сотими частками мікрометра, які вловлюються в результаті дії механізму дифузії й зчеплення, до великих — тих, що затримуються в густому переплетенні тонких волокон фільтрувального матеріалу.

У волокнистих фільтрах II класу з товстішими волокнами механізм дифузії діє слабше, тому в них здатні затримуватися не всі частки пилу (особливо якщо вони менші ніж 1 мкм). Великі частинки ефективно затримуються в результаті механічного зчеплення, а от забруднювальні компоненти розміром понад 4–5 мкм сухі фільтри цього класу затримують недостатньою мірою. Товщина волокна у волокнистих фільтрах II класу не має перевищувати 8–10 мкм.

У пористих фільтрах III класу, що заповнюються відносно товстими волокнами, дротом, перфорованими та зигзагоподібними листами, основним діючим фактором їхньої функціональної здатності є інерція. З урахуванням великих розмірів пор і каналів заповнення фільтрів задля створення умов для ефективного затримання великих частинок забруднення фільтри цього класу змочують різними рідинами.

На окремих марках двигунів ЯМЗ як фільтрувальний папір використовують спеціальний картон марки КТФ- 155, який має коефіцієнт пропускання пилу 0,2–0,3%. Такі фільтри сухого типу застосовують на двигунах ЯМЗ-238. Повітряні фільтри сухого типу — двоступінчасті: перший етап очищення відбувається через інерційну решітку з ежекційним відсмоктуванням пилу, а другий — через змінний фільтрувальний елемент із картону марки КТФ-155.

У якісних дорогих моделях фільтрів для двигунів євростандарту в автомобілях КамАЗ використовують папір Ahistrom італійського виробництва або Hollingsworth від заводу-виробника з Німеччини. Обидві кришки основного фільтрувального елемента виготовлені з поліуретану. Його зовнішній діаметр становить близько 30 см, внутрішній — 18 см, висота — до 50 см. Запобіжний або додатковий повітряні фільтри дещо поступаються своїми габаритами. Розміри їхнього перетину по зовнішніх краях на кілька міліметрів менші від внутрішнього діаметра основного елемента. Для двигунів стандарту «Євро-1» у КамАЗі придатні фільтрувальні елементи з паперу ВФБ 380 НБ, товщина якого становить 510 мкм, повітропроникність — 380 л/м², а індекс опору продавлюванню — 220 кПа. Важливе значення має й розмір пор, зазвичай їх діаметр не перевищує 60 мкм. Сітка й кришки повітряного фільтра виготовлені з листової сталі завтовшки 0,7 і 0,5 мм відповідно.

Слід зазначити, що в останні десятиріччя намітилась тенденція до зменшення використання круглих фільтрів, оскільки в сучасних легкових автомобілях простір, який виділено для систем впуску й очищення повітря, значно обмежений через установлення додаткових систем, зокрема кондиціювання повітря. Круглими фільтрами складної конструкції продовжують оснащувати автомобілі преміум-класу з великим об'ємом двигуна.

Панельні фільтри з целюлозним фільтрувальним папером установлюють на більшості сучасних легкових автомобілів і фургонів. У таких фільтрах використовують додаткові клейові шви або ж металеві сітки, особливо для ДВЗ великої потужності або ж оснащених турбокомпресором. Це накладає додаткові витрати під час їхнього проектування й потребує використання складнішого обладнання та сучасних технологій виготовлення.

Розглянемо найважливіші характеристики й властивості, яким приділяє особливу увагу під час розробки й виробництва повітряних фільтрів компанія WIXFilters, а також вимоги, дотримання яких забезпечить високий рівень фільтрації. Так, усі фільтри цієї компанії оснащені фільтрувальним середовищем, яке не підтримує горіння згідно з класами пожежної безпеки F1 або ж S1 і захищають техніку від пожежі в разі попадання стороннього предмета разом з іскрою у систему пуску двигуна.

Для роботи в умовах підвищеної запиленості повітря розроблені спеціальні пристосування для попереднього очищення повітря, які дають змогу суттєво зменшити кількість пилу та інших забруднень, що надходять до основного фільтрувального елемента, і тим самим подовжити його робочий ресурс. Представлені розробки для попереднього очищення повітря від частинок пилу великого розміру у повітряних фільтрах ще називають «префільтрами» (вони складаються з нетканого матеріалу). Окремі заводи-виробники під час установлення ДВЗ на МЕЗ (мобільні енергозасоби), які використовують в польових умовах або в середовищі підвищеної запиленості, можуть потребувати обов'язкового оснащення повітряних фільтрів такими префільтрами.

Актуальними є розробки, які дають можливість подовжити термін служби повітряного фільтра завдяки наявності систем попереднього очищення. Прикладами таких систем є розробки компаній WIXFilters та CumminsFiltration. В основі цих рішень — нерухома пластмасова крильчатка, яка, залежно від виконання, може перебувати як власне на фільтрувальному елементі, так і всередині корпусу фільтра.

Завдяки завихренням усмоктуваного повітря, створюваним такою крильчаткою, більша частина важких частинок під дією відцентрової сили відкидається до стінок корпусу й осідає на дні. Тобто позитивним фактором розробки є те, що через фільтрувальний елемент проходить уже попередньо очищене повітря. Тверді частинки, які збираються на дні фільтра, можна видалити без потреби відкривання корпусу фільтра — для цього слід лише зняти в його нижній частині гумовий конус, у якому накопичуються пилові забруднення. Після видалення останніх важливо правильно встановити конус на місце, щоб у корпусі фільтра не порушилася циркуляція повітря. Варто зазначити, що фільтри подібної конструкції компанії-виробники встановлюють у стандартну комплектацію як на конвеєрі, так і поставляють їх на вторинний ринок МЕЗ.

Експлуатація ДВЗ із несправним впускним трактом спричинює надходження в циліндри невідфільтрованого повітря, а відтак — зумовлює пилове аварійне спрацювання деталей циліндро-поршневої групи (ЦПГ). Зовнішніми ознаками аварійного стану ЦПГ є підвищена витрата оливи та викидання її із сапуна, задимленість. В окремих випадках можна спостерігати роботу двигуна зі сталевим стуком, який добре прослуховується за середньої частоти обертання колінчастого вала. Характерними причинами такого стуку може бути руйнування першого компресійного кільця, спричинене підвищеною його вібрацією внаслідок аварійного спрацювання канавки поршня та безпосередньо самого кільця.

Крім контролю герметичності впускного тракту ДВЗ, потрібно періодично контролювати стан картонного фільтрувального елемента (КФЕ) та стан прокладки повітряного фільтра. Слід пам'ятати, що недопустимо використовувати КФЕ із зовнішніми пошкодженнями, зокрема із розривами фільтрувального картону.

Прийнято вважати, що повітряний фільтр для двигуна КамАЗ стандарту «Євро» потрібно змінювати через кожні 10 000 км. Саме таку періодичність технічного обслуговування рекомендують заводи-виробники. Однак ці рекомендації актуальні, якщо автомобіль експлуатують по хорошому дорожньому покриттю. Але оскільки значна частина наших доріг далека від ідеалу, а вантажні автомобілі КамАЗ зазвичай експлуатують у польових умовах, то термін роботи повітряного фільтра може значно скоротитися.

У таких випадках варто пам'ятати, що в міру забруднення фільтрових пор якість фільтрації підвищується, але пропускна здатність повітряного фільтра, навпаки, зменшується. А отже, кількості наявного повітря починає не вистачати для нормальної роботи двигуна. Це спричинює не лише втрату потужності ДВЗ, а й нерівномірну його роботу, збільшення витрати палива та зниження комфорту під час руху.

Якщо відбулося забруднення повітряного фільтра автомобіля КамАЗ із двигуном «Євро», то його слід поміняти на новий очисний елемент — лише це може забезпечити його ефективну роботу. Очищення та промивання забрудненого фільтрувального елемента й подальше його встановлення на транспортний засіб — далеко не кращий варіант поліпшення ситуації, оскільки таке рішення може зумовити ще серйозніші несправності й відмови.

Зокрема, як зазначають експерти фірми WIXFilters, наслідком механічного очищення повітряних фільтрів, яке не допускає його повторного використання, є: незворотне пошкодження багатошарової структури фільтрувального матеріалу; зниження фільтрувальних властивостей фільтра; зміна опору потоку повітря. Ці результати «ручного очищення » фільтра також можуть зумовити проникнення пилових забруднень у камеру внутрішнього згорання.

Однією зі слабких ланок у забезпеченні надійності техніки в цілому і повітряних фільтрів зокрема є людський фактор, тобто вплив на їхню працездатність оператора-експлуатаційника та оператора сервісного виробництва. З одного боку, це якість обслуговування машини в процесі її експлуатації та технічного обслуговування МЕЗ, а з другого — правильний підхід до оцінювання технічного стану фільтра та визначення потреби його заміни, правильний підбір самого фільтрувального елемента. Багато пластмасових і металевих корпусів повітряних фільтрів виконані із фіксаторами (механізмами для стабільності їхнього встановлення). Верхні фіксатори, як правило, легкодоступні, а до нижніх дістатися важко, тож після заміни фільтрувального елемента оператори сервісної служби не завжди забезпечують фіксацію корпусу повітряного фільтра. У результаті в цьому місці підсмоктується повітря, яке потрапляє в двигун неочищеним.

Для зменшення впливу людського фактора, замість фіксаторів, для закріплення окремих повітряних фільтрів ДВЗ було запропоновано новий механізм фіксації кришки корпусу — так званий твіст. Його суть полягає в тому, що кришка фільтра щільно прикручується й автоматично фіксується засувкою. У такому разі відповідний звук закривання засувки (клацання) є чітким сигналом, що кришка повітряного фільтра закрита правильно (за потреби її досить легко зняти).

С. Карабиньош, А. Новицький, кандидати техн. наук, доценти,

Ю. Новицький, студент магістратури, НУБіП України

Журнал «Пропозиція», №6, 2018 р.