Спецвозможности
Техника и оборудование

Воздушные фильтры: особенности конструкции

12.09.2019
545
Воздушные фильтры: особенности конструкции фото, иллюстрация

Для полного сгорания горючей смеси нужно, чтобы в ее составе находилось воздуха (по массе) в 15-20 раз больше, чем топлива. Среднестатистический автомобиль за стокилометровый пробег «проглатывает» от 12 до 15 м3 атмосферного воздуха. Без очистки последнего вся твердая суспензия (главным образом, пыль), содержащаяся в воздухе, попадет внутрь двигателя и действовать на пары трения как абразив.

 

 

 

 

Единственным препятствием для механических частиц, которые могут поступать вместе с воздухом в ДВС, является воздушный фильтр, и те, кто экономит на его установке, подвергают свою технику большим рискам во время ее эксплуатации. Воздушные фильтры нашли свое применение как в легковых и грузовых автомобилях, так и в мобильной сельскохозяйственной технике, машинах и оборудовании тяжелой промышленности. Для защиты от преждевременного износа ДВС и агрегатов нужно регулярно оценивать техническое состояние и вовремя менять воздушные фильтры в соответствии с рекомендациями завода-производителя.
 
Функция воздушных фильтров заключается в удалении минеральной пыли, сажи, угля и других загрязнений из воздуха перед процессом его смешивания с топливом в системе впрыска. Попадание с воздухом любых загрязняющих компонентов, даже мельчайших, в цилиндры двигателя может вызвать повреждение стенок, поршневых колец и собственно поршней. Воздушные фильтры обеспечивают надежную защиту от проникновения загрязнений в системы ДВС и таким образом повышают его ресурс.
 
Существует довольно много типоразмеров фильтров, предназначенных для одного и того же ДВС, что объясняется прежде всего желанием производителей защитить конструкцию своего изделия. Подготовка формы под производство фильтра - процесс довольно трудоемкий. Особенно сложна его разработка, поскольку место для размещения фильтра обычно ограничено и нередко имеет свою специфику.

По мере засорения фильтрующего элемента его сопротивление воздушному потоку возрастает, а затем уменьшается количество воздуха, поступающего для смесеобразования. В определенных режимах это обуславливает обогащение смеси и вызывает неполное ее сгорание. Соответственно, снижаются показатели мощности двигателя, увеличивается расход топлива и повышается концентрация токсичных веществ в выхлопных газах. Словом, по формальным позициям предельно допустимое сопротивление воздушного фильтра - это предел, после которого фильтрующий элемент из помощника превращается во врага. Неслучайно этот показатель является определяющим для выбора конструкции фильтра и материалов, из которых его изготавливают.
 
Что касается классификации систем очистки воздуха, то их принято разделять на соответствующие группы, во-первых, по количеству ступеней очистки, а во-вторых - по принципу улавливания пыли. Таким образом, различают одно-, двух- и трехступенчатые системы, которые в свою очередь делят на шесть групп очистителей выбора:
 
сухие инерционные с отбором отсепарированой пыли в бункер;
 
сухие инерционные с отсосом пыли посторонним устройством;
 
сухие инерционные с выбросом пыли в атмосферу;
 
инерционно-масляные;
 
с фильтрующими элементами, смоченные маслом;
 
с сухими элементами, имеющими фильтровальную перегородку.
 
Показатели эффективности каждого из них могут быть использованы для оценки нижних границ эффективности при очистке атмосферного воздуха, запыленность которого находится на максимальном уровне, установленном нормами (0,5 мг/м3), или превышает его не более чем вдвое. Характеристика фильтра «эффективное улавливание» предусматривает эффективность очистки от загрязнений на уровне, близком к 100%.

К фильтрам I и II классов относят преимущественно волокнистые фильтры с разной толщиной и плотностью фильтрующего материала. В частности, фильтры I класса характеризуются способностью улавливать и достаточно надежно удерживать на сухих фильтровальных поверхностях частицы пыли всех размеров - от тех, что измеряются десятыми и даже сотыми долями микрометра, которые улавливаются в результате действия механизма диффузии и сцепления, до больших - тех, что задерживаются в густом переплетении тонких волокон фильтрующего материала.

В волокнистых фильтрах II класса с толстыми волокнами механизм диффузии действует слабее, поэтому в них способны задерживаться не все частицы пыли (особенно если они меньше 1 мкм). Крупные частицы эффективно задерживаются в результате механического сцепления, а вот загрязняющие компоненты размером более 4-5 мкм сухие фильтры этого класса задерживают в недостаточной мере. Толщина волокна в волокнистых фильтрах II класса не должна превышать 8–10 мкм.
 
В пористых фильтрах III класса, которые заполняются относительно толстыми волокнами, проволокой, перфорированными и зигзагообразными листами, основным действующим фактором их функциональной способности является инерция. С учетом больших размеров пор и каналов заполнения фильтров для создания условий для эффективного задержания крупных частиц загрязнения фильтры этого класса смачивают различными жидкостями.
 
На отдельных марках двигателей ЯМЗ в качестве фильтровальной бумаги используют специальный картон марки КТФ- 155, который имеет коэффициент пропускания пыли 0,2-0,3%. Такие фильтры сухого типа применяют на двигателях ЯМЗ-238. Воздушные фильтры сухого типа - двухступенчатые: первый этап очистки происходит через инерционную решетку с эжекционным отсосом пыли, а второй - через сменный фильтрующий элемент с картона марки КТФ-155.

В качественных дорогих моделях фильтров для двигателей евростандарта в автомобилях КамАЗ используют бумагу Ahistrom итальянского производства или Hollingsworth от завода-производителя из Германии. Обе крышки основного фильтрующего элемента изготовлены из полиуретана. Его внешний диаметр составляет около 30 см, внутренний - 18 см, высота - до 50 см. Предохранительный или дополнительный воздушные фильтры несколько уступают своим габаритам. Размеры их пересечения по внешним краям на несколько миллиметров меньше внутреннего диаметра основного элемента. Для двигателей стандарта «Евро-1» в КамАЗе пригодны фильтрующие элементы из бумаги ВФБ 380 НБ, толщина которого составляет 510 мкм, воздухопроницаемость - 380 л/м2, а индекс сопротивления продавливанию - 220 кПа. Важное значение имеет и размер пор, обычно их диаметр не превышает 60 мкм. Сетка и крышки воздушного фильтра изготовлены из листовой стали толщиной 0,7 и 0,5 мм соответственно.

Следует отметить, что в последние десятилетия наметилась тенденция к уменьшению использования круглых фильтров, поскольку в современных легковых автомобилях пространство, выделенное для систем впуска и очистки воздуха, значительно ограничено путем установления дополнительных систем, в частности кондиционирования воздуха. Круглыми фильтрами сложной конструкции продолжают оснащать автомобили премиум-класса с большим объемом двигателя.

Панельные фильтры с целлюлозной фильтровальной бумагой устанавливают на большинстве современных легковых автомобилей и фургонов. В таких фильтрах используют дополнительные клеевые швы или металлические сетки, особенно для ДВС большой мощности или оснащенных турбокомпрессором. Это накладывает дополнительные затраты при их проектировании и требует использования сложного оборудования и современных технологий изготовления.

Рассмотрим важнейшие характеристики и свойства, которым уделяет особое внимание во время разработки и производства воздушных фильтров компания WIXFilters, а также требования, соблюдение которых обеспечит высокий уровень фильтрации. Так, все фильтры этой компании оснащены фильтровальной средой, которая не поддерживает горение по классам пожарной безопасности F1 или S1 и защищают технику от пожара в случае попадания инородного тела вместе с искрой в систему пуска двигателя.

Для работы в условиях повышенной запыленности воздуха разработаны специальные приспособления для предварительной очистки воздуха, которые позволяют существенно уменьшить количество пыли и других загрязнений, поступающих к основному фильтрующему элементу, и тем самым продлить его рабочий ресурс. Представленные разработки для предварительной очистки воздуха от частиц пыли большого размера в воздушных фильтрах еще называют «префильтрами» (они состоят из нетканого материала). Отдельные заводы-производители при установке ДВС на МЭС (мобильные энергосредства), которые используют в полевых условиях или в среде повышенной запыленности, могут потребовать обязательного оснащения воздушных фильтров такими префильтрами.

Актуальными являются разработки, позволяющие продлить срок службы воздушного фильтра благодаря наличию систем предварительной очистки. Примерами таких систем являются разработки компаний WIXFilters и CumminsFiltration. В основе этих решений - неподвижная пластиковая крыльчатка, которая, в зависимости от исполнения, может находиться как собственно на фильтровальном элементе, так и внутри корпуса фильтра.

Благодаря завихрениям всасываемого воздуха, создаваемым такой крыльчаткой, большая часть тяжелых частиц под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам корпуса и оседает на дне. То есть, положительным фактором разработки является то, что через фильтрующий элемент проходит уже предварительно очищенный воздух. Твердые частицы, которые собираются на дне фильтра, можно удалить без необходимости открывания корпуса фильтра - для этого следует снять в его нижней части резиновый конус, в котором накапливаются пылевые загрязнения. После удаления последних важно правильно установить конус на место, чтобы в корпусе фильтра не нарушилась циркуляция воздуха. Стоит отметить, что фильтры подобной конструкции компании-производители устанавливают в стандартную комплектацию как на конвейере, так и поставляют их на вторичный рынок МЭС.
 
Эксплуатация ДВС с неисправным впускным трактом вызывает поступление в цилиндры неотфильтрованного воздуха, а следовательно - обуславливает пылевой аварийный износ деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Внешними признаками аварийного состояния ЦПГ является повышенный расход масла и выбрасывание его из сапуна, задымленность. В отдельных случаях можно наблюдать работу двигателя со стальным стуком, который хорошо прослушивается при средней частоте вращения коленчатого вала. Характерными причинами такого стука может быть разрушение первого компрессионного кольца, вызванное повышенной его вибрацией вследствие аварийного срабатывания канавки поршня и непосредственно самого кольца.

Кроме контроля герметичности впускного тракта ДВС, нужно периодически контролировать состояние картонного фильтрующего элемента (КФЭ) и состояние прокладки воздушного фильтра. Следует помнить, что недопустимо использовать КФЭ с внешними повреждениями, в том числе с разрывами фильтровального картона.
 
Принято считать, что воздушный фильтр для двигателя КамАЗ стандарта «Евро» нужно менять через каждые 10 000 км. Именно такую периодичность технического обслуживания рекомендуют заводы-производители. Однако эти рекомендации актуальны, если автомобиль эксплуатируют по хорошему дорожному покрытию. Но поскольку значительная часть наших дорог далека от идеала, а грузовые автомобили КамАЗ обычно эксплуатируют в полевых условиях, то срок работы воздушного фильтра может значительно сократиться.
 
В таких случаях следует помнить, что по мере загрязнения фильтровых пор качество фильтрации повышается, но пропускная способность воздушного фильтра, наоборот, уменьшается. А значит, количества имеющегося воздуха начинает не хватать для нормальной работы двигателя. Это вызывает не только потерю мощности ДВС, но и неравномерную его работу, увеличение расхода топлива и снижение комфорта при движении.
 
Если произошло загрязнение воздушного фильтра автомобиля КамАЗ с двигателем «Евро», то его следует заменить на новый очистительный элемент - только это может обеспечить его эффективную работу. Очистка и промывка загрязненного фильтрующего элемента и дальнейшая его установки на транспортное средство - далеко не лучший вариант улучшения ситуации, поскольку такое решение может вызвать еще более серьезные неисправности и отказы.

В частности, как отмечают эксперты фирмы WIXFilters, следствием механической очистки воздушных фильтров, которое не допускает его повторного использования, являются: необратимое повреждение многослойной структуры фильтрующего материала; снижение фильтровальных свойств фильтра; изменение сопротивления потоку воздуха. Эти результаты «ручной очистки» фильтра также могут вызвать проникновения пылевых загрязнений в камеру внутреннего сгорания.

Одним из слабых звеньев в обеспечении надежности техники в целом и воздушных фильтров в частности является человеческий фактор, то есть влияние на их работоспособность оператора-эксплуатационника и оператора сервисного производства. С одной стороны, это качество обслуживания машины в процессе ее эксплуатации и технического обслуживания МЭС, а с другой - правильный подход к оценке технического состояния фильтра и определение необходимости его замены, правильный подбор самого фильтрующего элемента. Многие пластмассовые и металлические корпуса воздушных фильтров выполнены с фиксаторами (механизмами для стабильности их установки). Верхние фиксаторы, как правило, легкодоступны, а к нижним добраться трудно, поэтому после замены фильтрующего элемента операторы сервисной службы не всегда обеспечивают фиксацию корпуса воздушного фильтра. В результате в этом месте подсасывается воздух, попадающий в двигатель неочищенным.

Для уменьшения влияния человеческого фактора, вместо фиксаторов для закрепления отдельных воздушных фильтров ДВС был предложен новый механизм фиксации крышки корпуса - так называемый твист. Его суть заключается в том, что крышка фильтра плотно прикручивается и автоматически фиксируется защелкой. В таком случае соответствующий звук закрывания защелки (щелчки) является четким сигналом, что крышка воздушного фильтра закрыта правильно (при необходимости ее достаточно легко снять).

 

С. Карабиньош, А. Новицкий, кандидаты техн. наук, доценты,

Ю. Новицкий, студент магистратуры, НУБиП Украины

Журнал «Пропозиція», №6, 2018 р.

Ключевые слова: воздушные фильтры

Интервью
Теплица
Современная жизнь диктует необходимость ИТ- модернизации отечественных агропредприятий, однако пока что новейшими технологиями владеет лишь десятая часть предприятий.  
Елена Березовська, президент общественного союза «Органическая Украина»
Общественная Союз производителей органических сертифицированных продуктов «Органическая Украина» был создан в 2012 году. Ее инициаторами стали шесть предприятий, которые производили молоко, бакалею,

1
0