Современные фильтры для тяжелой техники (Часть 2)
Воздухоочистители

Фильтрующие материалы

В настоящее время для изготовления фильтрующих материалов для автотракторных фильтров в основном используют волокна из целлюлозы (бумага), стекловолокна, синтетики или их комбинации (см. таблицу).

Чем тоньше волокна, используемые при изготовлении фильтрующих материалов, тем больше их поверхность в единице объема, что в свою очередь повышает грязеемкость фильтра. Из всех перечисленных материалов регенерации (восстановлению) после предельного загрязнения могут подвергаться только фильтры из сетчатого материала, однако они могут применяться только для фильтрации жидких сред и задерживают частицы размером более 25 мкм.

Наиболее эффективная форма укладки материала в штору при изготовлении фильтрующих элементов для очистки различных веществ серповидная. Шевронная форма – средняя по эффективности, а звездообразная – наименее эффективная. Притом чем реже гофры, тем меньше площадь фильтрующего материала, а следовательно, грязеемкость фильтра. На гофрах делают вмятины, препятствующие их слипанию под напором потока воздуха. Для упрочнения снаружи гофрированная фильтрующая штора защищена металлической или полимерной сеткой, а внутри установлена перфорированная трубка.

Наиболее перспективным фильтрующим материалом является 100-процентная синтетика. Однако в данное время стоимость этого материала выше, чем бумаги из целлюлозы, что ограничивает его применение.

Одна из пионерных разработок компании Cummins Filtration – синтетический материал из полимерного волокна StrataPore. В отличие от целлюлозы и микростекловолокна StrataPore имеет многослойную структуру, причем число слоев выбирают в зависимости от потребной эффективности фильтрации. Благодаря более равномерному размеру пор у StrataPore снижено сопротивление потоку на 50% по сравнению с традиционными фильтрующими материалами. У обычного фильтровального материала может быть либо высокая тонкость отсева, либо большая грязеемкость. StrataPore благодаря своей структуре имеет и высокую тонкость отсева, и большую грязеемкость.

В перспективе внедрение наноматериалов, имеющих волокна толщиной около 0,2 мкм, позволит значительно повысить ресурс фильтров, так как площадь фильтрующей поверхности из наноматериала во много раз превышает площадь поверхности из целлюлозы и микростекловолокна. Например, материал NANOWEB^® – это созданная из нановолокон микропористая структура. Из этого материала можно изготавливать фильтры большой площади и очень малой массы. Материал является отличным тепло- и шумоизолятором. Технология NANOWEB^® позволяет изменять диаметр волокон, размер пор и толщину фильтрующего слоя в зависимости от назначения фильтра. Фильтры из NANOWEB^® прекрасно работают в системах кондиционирования кабин (в том числе для фильтрации пыльцы, вызывающей аллергию) и очистки поступающего в двигатель воздуха. Благодаря химической стойкости они отлично работают в топливных и масляных фильтрах, надежно задерживая воду. Благодаря высокой однородности структуры фильтрующего материала качество и стабильность фильтрации значительно повышаются.

Производители фильтрующих материалов

В настоящее время в мире главными производителями фильтрующих материалов являются крупные корпорации Ahlstrom и Hollingworth & Vose, производящие их на мировой рынок, в том числе для России. Однако наиболее крупные мировые фирмы-производители фильтров, такие как Donaldson и Pall, самостоятельно работают над созданием новых фильтрующих материалов.

Производителем фильтровальной бумаги для фильтров отечественного производства является Цюрупинский бумажный комбинат (Херсонская обл., Украина). В период распада СССР он прекратил свою деятельность, но в настоящее время с помощью австрийского инвестора опять начал производство. В России уже несколько лет действует собственный производитель фильтровальных материалов для автотракторных фильтров ЗАО «Фильтровальные материалы» (Санкт-Петербург). Предприятие полностью обеспечивает фильтровальной бумагой ОАО «Невский фильтр» и другие компании, изготавливающие фильтры.

В настоящее время для производства только фильтров для мобильной техники в мире используется более 250 тыс. т фильтровальных материалов, из них объем производства однослойной целлюлозы (бумаги) составляет 80%, многослойных комбинированных материалов 12%, а синтетических – 8%. При этом потребности США и Канады составляют около 100 тыс. т (43%), ЕС – 75 тыс. т (30%), Японии и стран Юго-Восточной Азии – 52,5 тыс. т (21%) в год. Россия вместе со странами СНГ потребляет фильтровальных материалов порядка 25 тыс. т (8%). Из них только около 3,5 тыс. т выпускают собственные производители, остальное количество приобретается по импорту, но есть вероятность, что постепенно производство данного материала будет переходить к отечественным компаниям.

Очистка воздуха

Современный двигатель внутреннего сгорания расходует примерно от 50 до 4000 м³/ч воздуха. Запыленность воздуха может колебаться от 0,001 г/м³ до 1 г/м³, а в особо сложных условиях эксплуатации, например, при движении гусеничных машин (танков) в колонне, может достигать и 2 г/м³. Почти всю эту пыль должен задержать фильтр. Минеральные частицы пыли в окружающей машину среде могут иметь размеры от 0,1 до 200 мкм. Установлено, что 75% общей массы частиц пыли имеют размеры от 5 до 100 мкм.

Абразивные частицы, попадающие в современный двигатель, вызывают не только повышенный износ деталей, но и отказы вспомогательных устройств, например датчиков, находящихся на впуске воздуха в двигатель, электронного оборудования и др.

Технические требования к воздушным фильтрам отечественной автотракторной техники регламентированы ОСТ 37.001.622–2007, а методы их испытаний – ГОСТ 8002. В зарубежной практике показатели фильтров являются предметом согласования между изготовителем фильтра и потребителем для каждой конкретной модели машины.

Воздухоочистители мобильных машин, используемые для разных уровней запыленности воздуха, имеют различное устройство, например, одноступенчатые – для городских условий работы легковых автомобилей и многоступенчатые – для сельскохозяйственных, землеройных, дорожных машин, работающих в условиях повышенной запыленности.

Срок службы воздушного фильтра зависит от характера и объема загрязнений, поступающих с воздухом. Так, если в воздухе содержится много сажи, она засорит фильтрующий элемент гораздо быстрее, чем песчаная пыль. А большой процент влаги, мелкие капли воды в воздухе вызывают набухание фильтровальной бумаги, что увеличивает ее сопротивление потоку воздуха.

Насколько засорен воздушный фильтр, сложно определить на глаз. Поэтому современные воздушные фильтры часто снабжают указателями засоренности, которые указывают, когда сопротивление на входе в фильтр достигает примерно 635 мм. вод. ст. (напомним, что у нового воздушного фильтра сопротивление на входе обычно составляет примерно 200 мм. вод. ст.). Указатели бывают механическими и электрическими.

Эффективность воздухоочистителей повышают, применяя специальные фильтровальные материалы, а также повышая пылеемкость единицы объема воздухоочистителя и применяя предочистители. При этом решаются две задачи – продляют срок службы и межсервисный период работы фильтра, а также уменьшают его габариты*. Последнее необходимо потому, что постоянное повышение мощности двигателей приводит к увеличению объема воздухоочистителя, который все труднее разместить на машине.

Способствует увеличению срока службы фильтра и установка фильтров-предочистителей циклонного типа, особенно актуальная в тяжелых условиях эксплуатации. Так, в лаборатории концерна Donaldson проведены тесты эффективности различных систем предварительных фильтров циклонов, давшие следующие результаты:

Понимая это, многие производители уделяют большое внимание фильтрам-циклонам.

Например, компания Cummins Filtration разработала неподвижную пластмассовую крыльчатку, которая может находиться снаружи или внутри корпуса воздушного фильтра, закручивает поступающий в фильтр воздух, из которого под действием центробежных сил выпадают крупные частицы пыли. Также Cummins Filtration разработала фильтрующий элемент OptiAir с увеличенной грязеемкостью.

Известна простая, но довольно эффективная конструкция «эжектор пыли», представляющая собой насадку на входе в воздухозаборник, состоящую из ряда трубок, внутри которых установлены спиральные пластинки. Воздух закручивается внутри трубок, центробежные силы отбрасывают крупные частицы пыли на стенки трубок, затем пыль высыпается из эжектора а в воздуховод поступает частично очищенный от пыли воздух. Однако эжектор быстро засоряется, и в этом его главный недостаток.

Компания Sy-Klone International разработала ряд одно-, двух- и трехступенчатых предочистителей. Предочистители аналогичной конструкции по лицензии выпускают компании Caterpillar (CAT Turbine PreCleaner) и John Deere (Rotary Ejector). Конструкция представляет собой неподвижную крыльчатку, закручивающую поступающий воздух, из которого под действием центробежной силы выпадает крупная пыль. Затем воздух поступает на подвижную крыльчатку, раскручивает ее до высоких оборотов, и под действием центробежной силы частицы пыли выбрасываются через вертикальную щель в корпусе фильтра.

Компания Champion Laboratories Inc. выпускает различные фильтры под брендом Luber-finer. Для очистки воздуха она разработала инновационную технологию и волоконный материал MicroGold Fiber Technology, который, по утверждению фирмы, имеет грязеемкость на 50% выше, чем фильтры из обычных материалов, а коэффициент очистки β = 99,97%. Фильтрующие элементы Luber-finer имеют увеличенное число гофр, в конструкцию входят специальные укрепляющие гофры детали и приклеенные снаружи ленты.

Разработки компании Donaldson

Являясь самым крупным в мире инвестором в НИР по фильтрации газов и жидких сред, Donaldson за свою историю разработал большое количество революционных систем и материалов.

На рис. 1 представлена инновационная разработка фирмы Donaldson – новая серия воздухоочистителей Power Core для двигателей. PowerCore™ является революционной технологией, совершенно не похожей на традиционные фильтры. В ее основе лежит структура фильтроэлемента воздушного фильтра (см. рисунок), состоящая из параллельных продольных каналов, разделенных мембраной из фильтроматериала и закрытых полиуретановыми пробками с разных сторон. Таким образом, воздух, подающийся с открытой стороны входного канала, упирается в пробку в его конце и проходит через мембрану в параллельные выходные каналы, закрытые пробкой со стороны входа. При этом материал в отличие от стандартной мембраны располагается многослойно (рулоном).

В результате воздушный фильтр обладает в несколько раз большей поверхностью фильтрации при том же входном сечении. Это кардинально увеличивает пропускную способность и грязеемкость воздушного фильтра, значительно снижает сопротивление воздушного потока или позволяет выполнить фильтр более компактным при тех же характеристиках, так как отсутствуют большие объемы снаружи и внутри фильтроэлемента, необходимые для работы традиционного воздушного фильтра. Дополнительной полезной особенностью нового материала является возможность создавать воздушные фильтры любой формы (не только круглые), что дает конструкторам спецтехники больше возможностей для улучшения эргономики.

Дополнительные преимущества воздушным фильтрам Donaldson приносит применение разработанных концерном синтетических фильтровальных наноматериалов, созданных по технологии Ultra-Web™, разработанной и запатентованной Donaldson в 1995 г. Эти материалы исправляют основной недостаток целлюлозы, относительно крупные и неравномерно распределенные волокна которой диаметром 10...50 мкм плохо задерживают частицы загрязнений меньше 10 мкм. В то же время разработанный Donaldson материал имеет размер волокон от 1 до 5 мкм и в 2...5 раз большую частоту на 1 cм² при высокой равномерности распределения. На рис. 2 приведено изображение материалов из целлюлозы (слева) и синтетических микроволокон (справа) в масштабе к частицам 2 и 5  мкм.

В воздушных фильтрах слои синтетического микроволокна используются в комбинации с целлюлозой или другими более толстыми синтетическими волокнами, что увеличивает общую прочность фильтроматериала, а также его грязеемкость за счет эшелонированной работы слоев (крупные частицы задерживаются на одном уровне, мелкие – на другом).

По сравнению с фильтровальной бумагой новый материал с диаметром волокна менее 10 мкм, разработанный Donaldson, имеет пылеемкость выше приблизительно в 2,4 раза, габариты меньше, а эффективность очистки у него 99,99% против 99,85% у обычного фильтра. Воздухоочистители серии Power Core изготавливают полностью из пластмассы.

Cерьезной инновационной разработкой Donaldson является фильтр предварительной очистки – моноциклон мод. TOP-SPIN. По данным фирмы, циклон имеет следующие характеристики: эффективность улавливания пыли по SAE ACCТD в зависимости от расхода воздуха колеблется вблизи 85% всей пыли и свыше 99% тяжелой пыли размером 20 мкм и более при оптимальном сопротивлении для таких типов очистителей порядка 200…250 мм. вод. ст.

Другая современная разработка Donaldson – предварительные фильтры-циклоны Strataclone, предназначенные в основном для коммерческого транспорта и обеспечивающие степень очистки до 80%. Работа таких фильтров-циклонов основана на технологии активных циклонных элементов, эффективность которых не зависит от пространственного положения. При этом сами элементы могут собираться в пакеты любого размера, конфигурации и пропускной способности.

Концерн Donaldson проводил с 1993-го по 1999 г. эксплуатационные исследования различных машин с воздухоочистителями из разных фильтрующих материалов: фильтровальной бумаги, целлюлозы, пропитанной специальными смолами, и синтетики. В испытаниях участвовали автомобили разных типов – легковые, а также легкие и среднетоннажные грузовики. Испытания проводили в разных условиях (город, шоссейные дороги, внедорожные трассы, разные погодные условия). Испытания показали, что во всех рассмотренных условиях эксплуатации воздухоочистители с фильтроэлементами из синтетических материалов служат дольше. В нормальных условиях эксплуатации воздухоочиститель может поглощать от 2 до 4 г пыли на 100 км, а при высокой запыленности – в 3...5 раз больше. Условия эксплуатации и даже состав пыли в США отличаются от российских, поэтому результаты испытаний можно рассматривать лишь в общем виде, без конкретных цифр. К сожалению, такие широкомасштабные и длительные испытания воздухоочистителей в России не проводились.

Салонные фильтры

Салонный фильтр имеет в машине особое назначение, он защищает человека от вредных для здоровья включений, находящихся в воздухе. Во время работы машины в салоне или кабине могут присутствовать следующие загрязнения, отрицательно влияющие на здоровье людей:

• частицы – пыльца растений, дым, пыль, бактерии, влага (капли воды);
• газы – углеводород, окись азота; окись серы, озон, пары топлива, толуол.

Некоторые из указанных загрязнений в воздухе помимо влияния на здоровье человека также создают неприятные запахи.

При работе разных мобильных машин состав и концентрация указанных включений в воздухе салона или кабины могут быть совершенно различными. Если в автобусе, работающем в городе с высокой плотностью движения, в воздухе салона содержится больше газов, то в сельском местности или на стройплощадке основным загрязнителем воздуха в кабине является пыль.

Технические требования к показателям работы салонных фильтров автомобилей, как правило, согласовываются между изготовителями фильтров и потребителями – автопроизводителями.

В России технические требования к рабочему месту оператора трактора регламентируются ГОСТ 12.2.120–88 «Кабины и рабочие места операторов тракторов, самоходных строительно-дорожных машин… и самоходных сельскохозяйственных машин». В нем нормируется только два параметра воздуха: концентрация окиси углерода в кабине при работающем двигателе – не выше 20 мг/м³ и концентрация пыли в кабине машины в зависимости от содержания SiO2, которая не должна быть больше указанной в таблице.

У нас в стране отсутствуют стандарт и соответствующее оборудование для испытаний салонных фильтров на фильтрацию всех указанных выше загрязнителей воздуха. Оценку салонных фильтров проводят только по улавливанию частиц минеральной пыли, используя ГОСТ 8002 на испытания воздухоочистителей двигателей. За рубежом для этих целей действует два международных стандарта: ISO 11155-1 – оценка салонных фильтров на улавливание твердых частиц и ISО 11155-2 – оценка салонных фильтров на улавливание газов. Для таких испытаний используется комплекс специального испытательного оборудования.

Типичная конструкция осовремененных салонных фильтров включает в себя каркас, на котором закреплен двухслойный нетканый материал, не содержащий пропиточных фенолформальдегидных смол и других токсичных компонентов. Один слой менее плотный, второй – из более тонких синтетических волокон, улавливающих частицы размером более 0,5 мкм. Фильтр имеет низкое начальное сопротивление (не более 200 МПа). Существуют также модели салонных фильтров из такого же двухслойного нетканого материала со слоем, насыщенным активированным углем, с помощью которого улавливаются газы и устраняются неприятные запахи.

Указанные фильтры производят практически все зарубежные фирмы, выпускающие автотракторные фильтры (FRAM, Mann+Hummel и др.). В России салонные фильтры для тяжелой автотракторой техники выпускают ОАО «Салют-фильтр», ЗАО «Невский фильтр», ОАО «Цитрон».