Фильтровальная бумага для воздушных фильтров двигателей

Принципиальное отличие парового двигателя и двигателя внутреннего сгорания

Без всякого преувеличения весь век двадцатый, да и нынешний век, двадцать первый, можно назвать веками двигателей внутреннего сгорания. Компактные и мощные, удобные и обладающие значительно большим коэффициентом полезного действия, нежели их паровые предшественники, двигатели Отто (а также Ленуара и Дизеля, Ванкеля и других инженеров-двигателестроителей) произвели революцию не только в сфере энергетических установок, но и в жизненном укладе вообще.

Современные города и промышленные объекты, способ расселения людей, методы торговли и обеспечения поставок – все это продиктовано двигателями внутреннего сгорания, основой наших автомобилей, тракторов, комбайнов, строительной техники, морских и речных судов, железнодорожных локомотивов. А если считать двигателями внутреннего сгорания и газовые турбины (по сути так и есть, ведь топливо здесь используется схожим образом) – то и всех самолетов и вертолетов, и многих электроэнергетических агрегатов (особенно для локального электроснабжения).

Однако, у двигателей внутреннего сгорания имеются и свои особые потребности, которые сложно сравнить с запросами неприхотливых паровичков.

Рабочим телом паровой машины, как следует из определения, является пар, чаще всего водяной (хотя встречались инженерные изыски на основе жидкого аммиака, эфира или ртутных испарений). Пламя топки нагревает замкнутый котел и пар поступает в цилиндры или на лопатки турбины, после чего вновь конденсируется в специальном охладителе (в современных установках, например, на атомных и угольных электростанциях), либо выбрасывается в атмосферу (как делали в «золотой век пара»). Как видим, здесь поступающее рабочее тело принципиально не содержит пыли, злейшего врага всякого движущегося механизма.

В двигателе внутреннего сгорания рабочим телом является атмосферный воздух (что, кстати, и позволяет не тягать с собой тонны воды), поэтому для работы двигателя и нужны все новые и новые объемы воздуха. В сущности своей двигатель внутреннего сгорания – это настоящий пылесос, который прогоняет через себя сумасшедшие объемы воздуха. В это непросто поверить, но обычный легковой автомобиль на сто километров пробега пропускает через свое нутро 85000 литров воздуха, а тепловоз ТЭ3, работающий на полную нагрузку, за час «вдыхает» целых семь с половиной миллионов литров. И если ничего не предпринимать, то очень быстро пыль сделает свое черное дело и двигатель выйдет из строя. Чистый воздух, который был совершенно не важен паровым агрегатам, необходим для двигателей внутреннего сгорания. Как же решить эту задачу?

История создания фильтровальной бумаги

Здесь на помощь приходит обычная, привычная нам с детства пористая бумага, из которой в советские времена делали забытую ныне вещь – промокашку. Непроклееная, легкая бумага обладает замечательным свойством хорошей газопроводимости при том, что размеры пор в ней достаточно малы, чтобы не пропускать даже мельчайшие пылинки. Кроме того, такая бумага достаточно дешева и удобна в обращении.

История фильтровальной бумаги началась с ошибки. В 1836 году один из техников бумажного производства по забывчивости не добавил в подготовленную к формовке бумажную массу клей, в результате чего на сетке бумагоделательной машины вместо глянцевого хрустящего листа явилось нечто рыхлое и пористое.

Хозяин предприятия, увидев подобное безобразие, пришел в ярость и потребовал, чтобы мастер возместил полную стоимость всех затраченных материалов, а также выплатил деньги за утилизацию полученного брака. Пытаясь хоть как-то оправдаться и уменьшить сумму выплат, мастер принялся доказывать, что на полученной бумаге все равно можно писать. Однако чернила были полностью и почти без следа впитаны, а с обратной стороны пролилась чистая, лишенная всякой чернильной окраски вода.

Увидев фильтрующие способности нового сорта бумаги, хозяин задумался о новом направлении производства, и вскоре все предприятие начало выпускать именно такую, рыхлую и пористую бумагу, которую в больших количествах покупали аптекари и виноделы, пивовары и химики.

История использования бумажных воздушных фильтров в двигателях внутреннего сгорания

В двигателестроение идея сухого фильтра с бумажным элементом пришла далеко не сразу. Двигатели первых поколений чаще имели воздушный фильтр в виде клубка тонкой металлической проволоки, обильно смазанной густым машинным маслом. Такой фильтр требовал регулярного сложного обслуживания, заключающегося в полной разборке, замене масла и промывке проволоки от пыли, налипшей на масло, в керосине или другом органическом растворителе.

Помимо этого, такие фильтры не слишком хорошо справлялись со своими обязанностями, и гильзы двигателей вместе с поршнями быстро стирались (поэтому, тогда и не существовало цельнолитых блоков, а лишь разборные, с отдельными гильзами цилиндров). Все это удорожало как сам агрегат, так и его обслуживание. Двигатели старались делать как можно большими по объему, толстостенными и как можно более низкооборотистыми, чтобы как-то уменьшить износ. Платой за такой подход были низкие скорости при очень значительной массе (а значит и расходе топлива). Неудивительно, что ДВС первого поколения использовались в качестве стационарных фабричных установок, а также, изредка, для приведения в движение речных судов.

Бумажные воздушные фильтры открыли возможности для очень компактных высокооборотистых двигателей, которые, несмотря на свои скромные размеры, развивают очень значительную мощность. Они пустили автомобили и тепловозы, а также трактора «в массы».

Фильтровальная бумага – настоящее и будущее автомобилестроения

Современная фильтровальная бумага – это высокотехнологичный специфический продукт. Её заданием является обеспечение минимального сопротивления движущемуся с высокой скоростью воздушному потоку (скорость которого для сегодняшних двигателей, особенно оснащенных турбонаддувом, на порядок выше, нежели ранее) с максимальной внутренней поверхностью и способностью к удержанию пылевых частиц размером порядка нанометра.

Получить такую бумагу можно лишь подвергнув подготовленную к формовке массу особому режиму химической обработки. Помимо особенностей самой бумаги, при изготовлении фильтров прибегают к различным техническим ухищрениям, в частности, к динамическому гофрированию, которое обеспечивает значительную площадь поверхности при незначительных геометрических размерах.

Бумажные фильтрующие элементы, как техническое явление, непрерывно развиваются и в наше время. На спортивные автомобили, а также для любителей тюнинга в продаже появились воздушные фильтры низкого сопротивления, которые значительно оптимизируют работу двигателя. Они также изготовлены из бумаги, но уже нового поколения.

Если мы проанализируем тенденции развития современного двигателестроения, то неминуемо придем к выводу, что технология бумажных фильтрующих элементов будет развиваться и дальше. Чем совершеннее двигатель внутреннего сгорания, тем более чувствителен он к проникновению пыли.

Двигатель легендарной полуторки ГАЗ-АА, которую мы часто видим на экранах в фильмах о Великой Отечественной войне, имел степень сжатия всего 4,5 и раскручивал коленчатый вал лишь до 2000 оборотов в минуту (правда, давая с чудовищных 3,5 литров рабочего объема мощность меньше крошечного «Матиза», всего 40 л.с.). Естественно, что допускался куда больший микроизнос зеркала цилиндров и поршневых колец, обусловленный попаданием пыли, да и из-за относительной скорости движения поршней он происходил значительно медленнее.

Если мы возьмем современный двигатель объемом 3,5 литра, то он выдает двести пятьдесят лошадок, то есть на пятьдесят лошадиных сил больше, чем «КАМАЗ» в стандартной комплектации. Достигается это за счет высокой компрессии и оборотов, что, в свою очередь, выдвигает очень высокие требование к чистоте воздуха, поступающего во впускной тракт. Одна и та же пылинка, которая в двигателе полуторки просто «будет включена в новую внутреннюю парадигму» (налипнет и будет спокойно висеть на какой-нибудь поверхности), в двигателе Chrysler 300 C c таким же рабочим объемом просто уничтожит двигатель.

В последнее время наряду с бумажными фильтрами для дорогих моделей все чаще используются синтетические материалы в качестве фильтрующих элементов. Однако, по мнению многих специалистов, бумага еще не сказала своего последнего слова в данной сфере применения. Технологии изготовления фильтрационной бумаги для воздушных фильтров развиваются достаточно динамично, и она не собирается уступать пальму первенства. Кроме того, нельзя забывать, что и наиболее совершенные фильтры на основе углеволоконных нанокомпозитов в качестве сырья используют… бумагу.

Dim4el68 › Blog › Фильтра для двигателя

Масляный фильтр: чем лучше бумага, тем больше ресурс

На заре автомобилестроения двигатели постоянно выходили из строя. Пробег без ремонта в сотню-другую километров считался достижением. Причина подобного положения вещей заключалась не столько в слабости конструкции, а скорее в отсутствии системы очистки топлива, воздуха и масла. Пыль, частицы распада, попадали в двигатель и уничтожали его. Ситуация изменилась в 20-х годах прошлого века, когда начали устанавливать фильтры. Пионером был масляный фильтр «Purolator» (Pure Oil Later — чистое масло на выходе). Межремонтный пробег стал исчисляться тысячами километров. Несмотря на то, что автомобилестроение шагнуло далеко вперед, от качества масляного фильтра по-прежнему зависит ресурс и надежность работы двигателя.

Как он работает?
Главной задачей фильтра является защита и очистка масляного контура от примесей и продуктов распада. Моторное масло, помимо смазки еще охлаждает и очищает поверхности двигателя от продуктов износа и неполного сгорания топлива. Определенный объем пыли попадает в цилиндры и через воздушный фильтр в зависимости от условий эксплуатации и состояния воздушного фильтра. Масло, захватывает все загрязнения, выносит их в поддон двигателя, где и проходит через фильтрующий элемент. Если очистки не будет, то загрязнения, превратившись в абразив, за короткий срок «убьют» двигатель. При холодном пуске, пиковых уровнях давления при частых попытках пуска, а также при длительной езде на высоких скоростях масляный фильтр обеспечивает смазку за счет собственного резервуара и системы клапанов двигателя. Перепускной клапан при повышенных нагрузках направляет масляный поток, минуя бумажный фильтрующий элемент. А противодренажный клапан предотвращает вытекание масла в картер двигателя при выключенном двигателе.

Бумага – главная деталь
Все современные масляные фильтры по конструкции одинаковы. Различаются технологией изготовления и материалами. Основной деталью масляного фильтра является фильтрующий элемент, который изготавливается из специальной бумаги. Практически все мировые автогиганты, а также отечественные автозаводы доверяют фильтрам, сделанным из бумаги всего двух фирм: транснациональной компании «Hollingsworth & Vose» и итальянской «Ahlstrom». По уровню качества с этими компаниями не может соперничать ни один из отечественных производителей, а из зарубежных – только японские. Технологии производства современной фильтровальной бумаги настолько наукоемки и специфичны, что требуют инвестиций в сотни миллионов долларов и десятки лет опыта работы в данной сфере. Вряд ли возможно обеспечить соответствующее качество фильтровальной бумаги, построив завод где-нибудь в российском чистом поле на основе отечественных, пусть даже самых передовых отечественных разработок. Затраты сопоставимы со строительством конвейерного производства автомобилей. Подобная «монополия» качества не случайна – фильтровальная бумага должна обладать целым рядом характеристик: широким температурным диапазоном работы, определенной тонкостью очистки, полнотой отсева, высокой прочностью, пылеудерживающей способностью, стойкостью к старению в агрессивной среде горячего масла и кончено же, высокой степенью очистки. Слишком рыхлая бумага от небольших компаний не очищает должным образом масло, и, в конце концов, ведет к ускоренному износу двигателя. «Левая» бумага к тому же не обладает и требуемой стойкостью к агрессивной среде и не обеспечивает стабильную работу на протяжении заявленного ресурса, т.е. 5000 километров может фильтровать нормально, а потом грязь сквозь порывы устремляется в двигатель. Поэтому позиция большинства автопроизводителей вполне понятна: фильтры из бумаги либо «Hollingsworth & Vose», либо «Ahlstrom» . Иные просто не проходят испытаний.

Фильтры на 100.000 километров
Производитель, применяя обычные материалы и технологии, все время старается выбрать оптимальный баланс характеристик: прочности, пылеемкости, тонкости отсева и уровня сопротивления. Чем выше степень очистки масла, тем меньше должна быть тонкость отсева. Однако уменьшение отсева влечет за собой рост сопротивления фильтрующего элемента и, как следствие, — повышение износа. Кардинальным образом решают эту проблему нанотехнологии. Многослойный фильтрующий элемент, который содержит наноструктуры, позволяет удерживать мельчайшие частицы без увеличения сопротивления. Помимо этого возрастает пылеемкость и стойкость фильтра. Более того, идет не просто задержка продуктов износа и минеральных частиц, а процесс их окисления и расщепления. Оказывается положительное влияние на структуру и качества самого масла. В результате получается «умный», интеллектуальный фильтр, который обладает огромным ресурсом и способен работать очень долго без снижения характеристик, для которого пробег 100.000 километров не фантастика. Конечно, пробега в 100 000 км в течение нескольких лет вряд ли кто из российских предприятий достигнет, а вот в производство фильтров из новых материалов, состоящих из композиций целлюлозы и полиэфира, применения различных пропиток и добавок является весьма перспективным направлением. Новые материалы позволяют достичь ресурса от 30 до 50 тыс. км пробега, что соответствует нормам для многих новых европейских легковых автомобилей. Это непростая задача, учитывая тот факт, что большинство из отечественных компаний стремятся удешевить производство и применяют, как правило, одну и ту же так называемую стандартную бумагу, пусть даже произведенную под той же маркой «Hollingsworth & Vose». А ведь под каждый тип двигателя следует использовать определенный сорт бумаги с индивидуальными характеристиками. В результате ресурс фильтров достигает пробега в 15. 000-20.000 км.

Выбирая масляный фильтр, обратите внимание…
Во-первых, на качество корпуса фильтра. Он должен быть прочным, способным выдержать перепады давления и противостоять коррозии, чтобы в процессе эксплуатации не произошла утечка масла. Такие же качества должны быть свойственны и уплотнителю. Так что перед тем как приобрести масляный фильтр желательно не только ознакомиться с тем, что написано на упаковке, но и внимательно осмотреть само изделие – нет ли коррозии, плотно ли все подогнано и т.п. Значительна и роль клапанов, но их качество визуально не определишь. Стоит также обратить внимание на марку производителя. Компании производящие качественные фильтры, указывают страну происхождения, точный адрес, контактные телефоны. Всевозможные «German quality», «Made for EUROPE», ссылка лишь на торговых представителей из европейских стран, когда в действительности продукция произведена в Китае, является не более чем попыткой введения потребителя в заблуждение. Есть и другая похожая схема отмывания страны происхождения товара: некая компания регистрируют новый «брэнд», например, во Франции или Германии. Она покупает партию китайского ширпотреба, а потом продает ее в Россию, нанося привлекательную «европеизированную» маркировку. Дополнительными гарантиями качества также являются сведения о сертификации, сертифицирующей организацией и применяемой на предприятии системы менеджмента качества. Технологические процессы всех ведущих мировых производителей соответствует международному стандарту качества ISO-9001. А из органов по сертификации автомобильных изделий отлично себя зарекомендовал «НАМИ-Фонд», работающий совместно с Центральным научно-исследовательский автомобильным и автомоторным институтом (НАМИ). В России большинство конвейерных сборщиков автомобилей доверяют испытание и сертификацию поставляемых автокомпонентов именно этому научно-техническому центру.

Воздушный фильтр: бомба замедленного действия или залог движения?

Концентрация пыли на наших дорогах в несколько раз выше, чем на европейских — содержание твердых частиц в воздухе колеблется от 2 до 10 мг/куб. метр. За год эксплуатации в воздушный фильтр автомобиля мощностью 100 л/с попадает от 30 до 150 грамм пыли. В случае недостаточной фильтрации пыль оказывается в камере сгорания и в масле. Результатом становится ускоренный износ поршневой группы (до 5-8 раз быстрее установленного ресурса), а также потеря мощности и повышенный расход топлива.

От чего зависит ресурс?
Современный автопром, стремясь сократить расходы на обслуживание новых моделей, требует от производителя расходных запчастей существенного увеличения ресурса — до 50.000 километров и более. Воздушный фильтр должен сохранять свои характеристики при попадании воды, быть устойчивым к воздействию масла, паров топлива, картерных газов, а также высокой (до 90 °С) температуры. Долговечность и надежность воздушного фильтра зависит от материала фильтроэлемента. Сегодня применяются несколько видов материалов – целлюлоза, целлюлоза с пропиткой, композиционные материалы (слои целлюлозы и синтетики), чистая синтетика. Чистая дешевая целлюлоза разлагается быстрее остальных. Добавка 25% полиэфира увеличивает стойкость материала в пять раз. А 100%-ная синтетика в 13 раз устойчивей к неблагоприятной среде, чем целлюлоза. Ресурс также зависит и от площади фильтроэлемента. Квадратный метр самых распространенных фильтровальных материалов (целлюлозы и композита) способен поглотить от 200 до 300 грамм пыли. Недобросовестные производители экономят на качестве и количестве фильтровальных материалов. Или заявляют ресурс из расчета европейских норм запыленности, которые существенно ниже наших, что обусловлено состоянием дорог и природно-климатическими условиями. Это явное введение потребителей в заблуждение.

Материал материалу — рознь
Важной характеристикой воздушных фильтров является сопротивление воздушному потоку, поступающему в двигатель. Чем выше степень очистки воздуха, тем меньше должна быть пористость бумаги или нетканого материла. Для исправной работы двигателя фильтр должен пропускать не более 1% частиц пыли. Однако, чем меньше поры фильтроэлемента, тем быстрее они забиваются. Ездить на «забитом» воздушном фильтре, все равно, что заниматься членовредительством. Во-первых, вследствие переобогащения рабочей смеси повышается расход топлива и ухудшаются динамические свойства двигателя. Во-вторых, фильтровальный элемент может порваться в любое мгновение, поскольку доступные для прохождения воздуха участки элемента испытывают в несколько раз большую нагрузку, чем обычно. Там где тонко обязательно порвется! И тогда вся пыль устремится прямиком в двигатель. Очевидно, что достичь оптимального сочетания важнейших характеристик фильтровального элемента – пылеемкости, стойкости, пористости и сопротивляемости потоку, весьма непросто. Поэтому при приобретении воздушного фильтра стоит обращать внимание на информацию о фильтровальном материале. Желательно, чтобы он был производен одной из известных фирм. Производителей по-настоящему качественных фильтровальных материалов можно пересчитать по пальцам одной руки. Самый крупный — транснациональная компания «Hollingsworth&Vose», являющаяся поставщиком материалов и запасных частей таких автогигантов как Форд и Дженерал Моторс, «Caterpillar», а также их дочерних предприятий. Именно эта компания одна из немногих сумела создать синтетические фильтровальные элементы, позволяющие достичь ресурса в 100 000 километров, как для воздушных фильтров, так и для масляных.

Фильтры замедленного действия
Некачественный воздушный фильтр чем-то напоминает бомбу замедленного действия. Печальные последствия вы обнаружите только спустя некоторое время после его установки. К примеру, если фильтр не плотно прилегает к корпусу или фильтроэлемент изготовлен из материала с большим размером пор, то степень фильтрации вместо требуемых 99% может составить 60-70% и стать смертельным для двигателя. Этим особенно грешат фильтры неизвестных производителей, выполненные из дешевых нетканых материалов. Также как и некачественные опасны и «реанимированные» фильтры. Многие умельцы приспособились прочищать, продувать и промывать воздушники. Но пусть вас не вводит в заблуждение безупречный чистый вид – ресурс фильтра ограничен физическими свойствами фильтроэлемента. Кроме этого, следует учесть, что эксплуатация автомобиля в сложных условиях требует более частой замены фильтра. Определить, что «время пришло» можно по нескольким косвенным признакам, таким как повышенный расход топлива, потеря мощности, затрудненный пуск двигателя, увеличение содержания СО2 в выхлопе и т.д. Но до этого лучше не доводить и менять фильтр вовремя.

Топливный фильтр: лучше отфильтруешь- дальше поедешь

Топливные фильтры очищают топливо от посторонних примесей, таких как пыль, ржавчина, вода и осадки в топливных баках.Система фильтрации топлива современного автомобиля состоит из двух-трех, реже четырех степеней очистки. Первые степени – это фильтры грубой очистки топлива, которые устанавливаются в топливном баке или сразу после него. Их задача- задерживать относительно крупные частицы загрязнений – свыше 60 мкм, которые можно разглядеть человеческим глазом. Но самую опасную часть загрязнений составляют частицы от 15 до 50 мкм. Именно с этими загрязнениями и должны справляться фильтры тонкой очистки топлива. Фильтры тонкой очистки бывают разборные и неразборные. Конструкция топливного фильтра зависит от типа двигателя, для которого он предназначен.

Фильтры тонкой очистки для карбюраторных моделей.
Размер частиц, представляющих наибольшую абразивную опасность для карбюраторных моторов, составляет 20 – 40 мкм. Фильтры тонкой очистки топлива для карбюраторных двигателей бывают разборные и неразборные. Первые, использующиеся в настоящее время все меньше, имеют керамический или сетчатый латунный элемент, используемый многократно. Вторые — неразборные, «одноразовые», имеют бумажный, тканный или полимерный фильтрующий элемент. Технические условия предусматривают для подобных фильтров тонкость отсева не менее 15 мкм, но большинство современных фильтров задерживают и более мелкие частицы. Для карбюраторных двигателей считается достаточным, если фильтр тонкой очистки в начале работы задерживает не менее 60% загрязнения. Для бумажных фильтрующих элементов бумага применяется та же, что и для масляных фильтров. Некоторые недобросовестные фирмы производители используют в топливных фильтрах бумагу, предназначенную для воздушных фильтров. Под воздействием бензина она раскисает, и такой фильтр служит, как правило, раза в два-три меньше, чем ему положено. Кроме того, такая бумага не может обеспечить требуемое качество очистки топлива.

Фильтры для двигателей с впрыском бензина
Инжекторные двигатели более требовательны к чистоте бензина — топливный фильтр для системы впрыска должен улавливать частицы размером 10-15 мкм. Другая особенность инжекторных двигателей — относительно высокое давление в системе питания. Естественно, что установленный после электробензонасоса фильтр должен выдерживать его с запасом. Поэтому корпус топливного фильтра для систем впрыска делается из стали, алюминиевого сплава с применением сварки (либо особого рода завальцовки торцевой части) или же особо прочной пластмассы. Что касается размеров элемента, то они зависят от рабочего объема двигателя. Фильтрующая штора выполняется из бумаги, которая уложена «звездой» или в виде «спирали». Спиральная укладка позволяет разместить в 1.6-1.8 раз больше фильтровального материала и увеличить ресурс. Кроме этого, увеличивается и время контакта топлива с фильтрующим элементом, а значит, обеспечивается более высокая степень номинальной очистки топлива. В фильтрах со спирально-складчатой укладкой может применяется не гладкая, а крепированная бумага, которая способна задерживать большее количество механических примесей.

Некоторые водители, прельстившись красивым металлическим корпусом и большим объемом впрысковых топливных фильтров, пытаются ставить их на карбюраторные двигатели. Затея эта бесперспективная, так как слабому диафрагменному насосу не удастся справиться с фильтром, рассчитанным на работу с электрическим бензонасосом высокого давления. Поэтому предельное сопротивление фильтра достигается очень быстро, подача бензина прекращается.

Когда следует менять фильтр? Для наших условий, с учетом загрязнения топлива, рекомендуются следующие цифры: фильтр со спирально-складчатой укладкой следует менять через 40 тыс. км, а фильтр со шторой, уложенной «звездой» — через 24 тыс. км.