Воздушные чистильщики

В №7/2001 мы рассказали о системах очистки моторного масла и конструкциях масляных фильтров. Сегодняшняя беседа тоже посвящена фильтрам, но другим - воздушным.
Система, узел, деталь
Давайте вспомним азы: для полного сгорания горючей смеси необходимо, чтобы воздуха в ее составе было по массе примерно в 15 раз больше, чем топлива. Иными словами, среднестатистический двигатель «потребляет» от 12 до 15 куб. м воздуха на 100 км пробега.
Если этот воздух не очищать, попавшие внутрь загрязнения и прежде всего пыль, будут воздействовать на трущиеся пары как абразив. Поэтому в любом двигателе (карбюраторном, впрысковом, дизельном) предусмотрено устройство для очистки воздуха. Кроме того, оно играет роль глушителя шума при всасывании воздушной массы, а в бензиновых двигателях - еще и регулятора температуры горючей смеси.
А теперь несколько слов о терминологии. Что такое воздушный фильтр? Здесь, как водится, возникает легкая словесная эквилибристика. Так, в технической документации мы встретим словосочетание «автомобильный воздухоочиститель». Употребляется и более строгое название - «система очистки воздуха». Функционально - это действительно система, а конструктивно - узел, имеющий корпус, крышку, крепления и собственно фильтрующий элемент. Кроме того, в двигателях с впрыском бензина узел воздухоочистителя часто включает и датчик расхода воздуха. Ну, а фильтр или фильтрующий элемент - это всего лишь деталь, которая вне системы очистки работать не может.
В обиходе же «воздушным фильтром» нередко называют весь воздухоочиститель в сборе. Поэтому во избежание путаницы договоримся: ниже под словами «фильтр» и «фильтрующий элемент» подразумевается именно деталь, а не узел воздухоочистителя.
Классификация
Системы очистки воздуха принято разделять по количеству ступеней очистки (одно-, двух- и трехступенчатые) и по принципу улавливания пыли. В последнем случае различают шесть типов систем:
1. Сухие инерционные со сбором отсепарированной пыли в бункер.
2. Сухие инерционные с отсосом пыли посторонним источником.
3. Сухие инерционные с выбросом пыли в атмосферу.
4. Инерционно-масляные.
5. Использующие фильтрующие элементы со смоченной маслом набивкой.
6. Использующие сухие фильтрующие элементы.
Первые три типа используются в основном в двух- или трехступенчатых очистителях на грузовых автомобилях и тракторах и в данной статье не рассматриваются.
А вот на легковых автомобилях применяются, как правило, одноступенчатые системы четвертого и шестого типов. При этом сухие элементы почти полностью вытеснили инерционно-масляные фильтры. Что касается элементов с пропитанной набивкой, то они медленно, но верно завоевывают свое место под солнцем. Обо всем этом мы расскажем в соответствующих разделах.
Критерии эффективности
Эффективность работы воздушного фильтра характеризуется коэффициентом пропуска пыли. Суть этого показателя понятна из названия, измеряется он в процентах и зависит от типа системы и режима работы двигателя.
Другой важный показатель - это так называемое предельное сопротивление засасываемому воздуху, измеряемое в единицах давления, чаще всего - в килопаскалях. Данная характеристика определяет не качество фильтрации, а эксплуатационные показатели двигателя в условиях недостатка воздуха при смесеобразовании. Поясним это на примере.
По мере засорения фильтрующего элемента его сопротивление воздушному потоку растет. Следовательно, при постоянной величине угла открытия дроссельной заслонки количество поступающего воздуха уменьшается. И если настройка системы питания останется неизменной, в определенных режимах это может привести к обогащению смеси, а следовательно, и к неполному ее сгоранию. При этом мгновенная мощность двигателя снизится, а расход топлива и концентрация токсичных веществ в отработавших газах увеличатся.
Таким образом, предельно допустимое сопротивление воздушного фильтра - это граница, после которой фильтрующий элемент из помощника превращается во врага. И не случайно эта характеристика в значительной степени определяет и конструкцию фильтра, и материалы для его изготовления.
Конечно, водителю не нужно знать численных значений предельного сопротивления различных фильтров. Ему достаточно помнить, что в процессе эксплуатации сопротивление воздушного фильтра постоянно растет. Помнить и вовремя менять фильтрующие элементы.
Инерционно-масляные системы
Не так давно инерционно-масляные воздухоочистители стояли практически на всех автомобилях. И сегодня по нашим дорогам еще бегают оснащенные такими системами «волги» ГАЗ-24 и «запорожцы» ЗАЗ-968, не говоря уж об отечественных грузовиках и автобусах.
В двух словах напомним принцип работы инерционно-масляной системы. В ее составе есть два обязательных элемента: ванночка с маслом и сам фильтр - пропитанная маслом набивка, выполненная, как правило, из капроновой нити.
Во время работы воздух поступает в кольцевую щель между корпусом и фильтрующим элементом, проходит через нее и при резком повороте ударяется о поверхность масла. При этом он освобождается от наиболее крупных частиц пыли - происходит так называемая первичная очистка воздуха. При значительном расходе воздуха масло забрасывается в фильтрующую набивку, где образуется псевдокипящий пеномасляный слой. В нем происходит вторичная очистка воздуха: частички пыли прилипают к взвешенным частичкам масла. Как только расход воздуха падает, масло из фильтрующего элемента стекает в ванну, увлекая за собой задержанную пыль.
Практика показала, что достоинств у инерционно-масляных систем гораздо меньше, чем недостатков. Они требуют периодического обслуживания: замены масла с очисткой масляной ванны и промывки фильтра (набивки). Кроме того, при средних, наиболее распространенных нагрузках (около 20% мощности) коэффициент пропуска пыли в инерционно-масляных системах может достигать пяти, а то и десяти процентов. А вот сменные сухие фильтрующие элементы лишены этого недостатка: на всех режимах работы пропуск пыли в них не превышает одного процента. Поговорим об этих изделиях более подробно.
Сменные фильтры: характеристики
Несмотря на внешнюю простоту, современные сменные воздушные фильтры - это достаточно сложные изделия из легких металлов, полимеров и специальной пористой бумаги. Впрочем, о конструкции элементов мы еще поговорим, а сейчас отметим их достоинства: высокую степень очистки и низкое сопротивление, а также простоту и удобство замены элемента.
Интересно, что очищающая способность сменного воздушного фильтра мало зависит от срока службы. Сказанное наглядно иллюстрируется экспериментальными данными для фильтрующих элементов ВАЗ, полученными на специальном безмоторном стенде НАМИ.
Из графика видно, что коэффициент пропуска пыли, достаточно высокий в самом начале работы (у изделий разных производителей он колеблется в пределах 2,5-4,5%), быстро снижается до значений, не превышающих 1%. Объясняется это тем, что пыль, забивая поры бумаги, сама создает дополнительный фильтрующий слой на ее поверхности: «пыль начинает чистить пыль», и фильтр довольно быстро выходит на режим максимальной эффективности. После этого за весь рабочий цикл коэффициент пропуска пыли не превышает допустимый предел в 1%, что является нормой для легковых автомобилей с бензиновым двигателем.
Конечно, полученные на стенде данные не могут быть использованы напрямую: это всего лишь модель. Но модель, заметим, адекватно отражающая реальные условия эксплуатации. К тому же специальные методики позволяют пересчитать стендовые часы в тысячи километров пробега, после чего результаты экспериментов находят отражение в инструкциях по эксплуатации в виде конкретных рекомендаций «сменить воздушный фильтр через…». Кстати, за рубежом применяют аналогичные методы испытаний, только результаты пересчитывают по-другому. Что поделаешь - дороги там куда как чище российских!
А вот предельное сопротивление элемента, в отличие от коэффициента пропуска пыли, напрямую связано со временем работы фильтра и загрязненностью атмосферного воздуха. И здесь решающую роль играет площадь фильтрующей поверхности: чем она больше, тем дольше служит фильтр.
Конструкции сменных элементов
По типу конструкции сменные фильтрующие элементы подразделяются на круглые, круглые с гибким каркасом (их еще называют бескаркасными) и панельные.
Фильтрующая штора делается из высокопористой, пропитанной специальными смолами бумаги. Пропитка нужна, чтобы предохранить штору от размокания при попадании на нее влаги. Вообще, бумага - самый распространенный материал для воздушных фильтров. Но в некоторых странах, например в Японии, сменные элементы изготавливают из синтетических волокон. Эксплуатация таких элементов требует строгого соблюдения временных норм ТО.
На круглых, например, «жигулевских» и «волговских» фильтрах иногда применяют так называемые «предочистители» в виде белого пояска из искусственного материала. Предочиститель хорош тем, что задерживает до 40% пыли, снижая нагрузку на бумажную штору. Кроме того, он эффективно вбирает в себя сажу, несгоревшие углеводороды и пары масла - эти неизбежные компоненты атмосферы большого города.
Нередко поток воздуха, проходя через круглый фильтр вызывает пульсацию бумажной шторы. Если она имеет большую высоту и при этом касается обечайки, на ней довольно быстро появляются надрывы. Особенно часто это бывает, когда обечайка сделана по безотходной технологии из просечённого и растянутого металла. Надо сказать, производители фильтров борются с этой проблемой всеми силами - например, немецкая фирма MANN+HUMMEL вообще отказалась от обечайки такого типа.
На престижных английских машинах «Роллс-Ройс» и на спортивных автомобилях нередко устанавливают каркасные (проволочные) элементы из пятислойной марли, пропитанной специальным маслом. По сравнению с бумажными, они имеют гораздо меньшее начальное сопротивление и после специальной обработки могут применяться повторно.
А теперь поговорим о фильтрах панельного типа. На первых моделях инжекторных двигателей применялись круглые фильтрующие элементы. Однако особенности воздушного тракта, поиск оптимальных конструкций воздухоочистителя привели к оснащению этих моторов панельными фильтрующими элементами. Появившиеся около 15 лет тому назад, они в настоящее время полностью вытеснили круглые элементы с впрысковых двигателей.
Воздух в панельный элемент поступает сверху и проходит через специальную бумажную штору карманного типа. В шторе и происходит собственно очистка, после чего воздух продолжает свое движение через нижнюю часть элемента.
Площадь фильтрующей поверхности у элементов панельного типа в 3,5-4 раза больше, чем у круглых. Кроме того, карманная укладка шторы более эффективна, чем укладка звездой в обычном фильтре. Плюс ко всему бумага, применяемая в панельных элементах, обладает лучшей очищающей способностью.
Панельные фильтры имеет более низкое аэродинамическое сопротивление, которое не меняется в процессе работы, и меньшее начальное сопротивление. Что касается коэффициента пропуска пыли, то он колеблется в пределах 0,2- 0,4%. Эти показатели обусловлены требованиями системы питания инжекторного двигателя.
Панельные элементы более выгодны в производстве, чем круглые. Одна из причин - упрощение технологии изготовления каркаса: круглый фильтр заливается пластизолем или полиуретаном с двух сторон, а панельный только с одной. Кстати, сейчас для каркаса панельного фильтра стараются применять только полиуретан. Он мягче пластизоля, меньше подвержен старению и обладает лучшими экологическими характеристиками.
Однако панельный фильтр получается дороже круглого на 30-40% - главным образом, из-за более дорогой бумаги для шторы, обеспечивающей указанные выше характеристики элемента.
Панельные элементы выпускают как за рубежом, так и у нас в России. Например, линия для сборки панельных фильтров работает на заводе «Автоагрегат» в г. Ливны. Она закуплена в Италии и включает оборудование для сборки карманов шторы и машину для полиуретановой заливки.
Заканчивая данный раздел, отметим, что укладка штор в панельных фильтрах более прогрессивна, чем в круглых. Специалисты считают, что будущее именно за этими элементами.
Сертификация
Выше говорилось, что от сопротивления фильтра зависит концентрация токсичных веществ в отработавших газах автомобиля. Поэтому воздушные фильтры - это продукция, подлежащая обязательной сертификации.
Наши постоянные читатели знают, что Испытательный Центр автомобильных изделий (ИЦАИ НАМИ) аккредитован Госстандартом России в качестве технически компетентной и независимой испытательной лаборатории. Проводят здесь и сертификацию воздушных фильтров.
Как проверяется изделие? НАМИ располагает специальным безмоторным стендом, созданным в соответствии с ГОСТом. Фильтр в сборе устанавливается на мерный трубопровод, через который засасывается воздух. Одновременно через специальный патрубок на вход фильтра подается испытательная пыль. Она готовится заранее на специальных вибромельницах путем помола литейного песка, содержащего 96% оксида кремния (IV) SiO2 - сильнейшего абразива. Готовая испытательная пыль имеет регламентированный дисперсный состав.
На выходной магистрали, после тестируемого элемента, устанавливают контрольный, или, как его еще называют, абсолютный фильтр, полностью задерживающий прошедшую пыль. По времени работы испытываемого фильтра до достижения предельного сопротивления, а также по соотношению масс поданной в воздухоочиститель и задержанной контрольным фильтром пыли делается заключение о качестве проверяемого фильтра. Фактически, установка моделирует дорожные испытания, которые сами по себе очень дороги.
Кстати, за рубежом для приготовления испытательной пыли используется песок из пустыни штата Аризона (США). Это оговорено в стандартах ISO, и поэтому европейские лаборатории ввозят его из-за океана. Надо сказать, что наш кварцевый песок более агрессивен по абразивным свойствам, чем американский, имеющий некоторое количество мягких примесей.
Несколько практических советов
Какие неприятности могут подстерегать водителей при эксплуатации воздушных фильтров? Это некачественные пояски-уплотнители на торцевой части фильтрующих элементов. Со временем поясок отвердевает, растрескивается и не выполняет уплотнительных функций - двигатель начинает подсасывать грязный воздух. При некотором навыке негодный поясок можно определить на ощупь.
Кроме того, если в процессе эксплуатации вы обнаружите, что фильтрующая штора разбухла - немедленно замените фильтр. Перед вами подделка с непропитанной шторой.
И в любом случае не стоит эксплуатировать фильтрующий элемент больше года, даже если пробег вашей машины невелик.
Иногда читатели спрашивают: можно ли использовать воздушный фильтр повторно, скажем, промыв его? По отношению к массовым изделиям ответ будет однозначным: нет. Однако некоторые зарубежные фирмы производят элементы, допускающие двухкратную промывку в растворе моющих средств с последующей просушкой - о них мы упоминали выше.
Занимаются подобными разработками и отечественные производители фильтров. Например, промышленная группа СПЕКТР АВТО, выпускающая широкую гамму автомобильной продукции с торговой маркой Spectrol, работает над экологически чистым воздушным фильтрующим элементом многоразового использования. В ближайшее время мы постараемся рассказать об этом изделии более подробно.


Партнеры:
  • журнал работа и зарплата
  • продажа продуктов питания