Инновации и тенденции на рынке воздушных, масляных и топливных фильтров для тяжелой техники

Параметры фильтров

Прежде чем познакомиться с достижениями и новинками отрасли производства фильтров, напомним, какими параметрами (по ГОСТу) они характеризуются чаще всего.

Полнота отсева (или коэффициент отсева, или улавливание фильтром, фильтрующим элементом): процентное соотношение разности между массовыми концентрациями загрязнения масла до и после фильтра к концентрации загрязнения до фильтра при однократном прохождении потока через фильтр.

«Тонкость отсева фильтром (фильтрующим элементом)»: показатель, характеризующий способность фильтра задерживать (отфильтровывать) частицы загрязнителя определенного размера. Подчеркнем, что понятие «тонкость отсева» бессмысленно без уточнения: средняя, номинальная или абсолютная тонкость отсева имеется в виду.

«Средняя тонкость отсева» – это размер (монодисперсных частиц, улавливание (полнота отсева) которых составляет 50%.

«Номинальная тонкость отсева» – это размер монодисперсных частиц, улавливание (полнота отсева) которых составляет 95%.

«Абсолютная тонкость отсева» – размер монодисперсных частиц, улавливание (полнота отсева) которых составляет 100% (в зарубежных стандартах это понятие подразумевает максимальный размер частиц, пропускаемых фильтром).

Следует учитывать: через фильтр с «номинальной тонкостью отсева», например 10 мкм, как показывают опыты, могут проходить частицы размером даже в 200 мкм. В общем случае «абсолютная тонкость отсева» лучше характеризует эффективность фильтра, чем «номинальная».

«Коэффициент отсева (отфильтровывания)» (в западной технической литературе filter efficiency обозначается буквой η) и равен отношению массы (числа) задержанных фильтром (фильтрующим элементом) частиц, превышающих установленный размер, к массе (числу) всех частиц того же размера, поступивших на фильтр с нефильтрованной рабочей жидкостью, в процентах. Это условная величина, так как в процессе стандартных испытаний на фильтр подается пыль, состоящая из песчинок строго определенного размера, то есть эффективность фильтра оценивается по способности задерживать пыль, а не другие загрязнения. У нового воздушного фильтра коэффициент очистки с начала работы начинает увеличиваться, так как крупные поры засоряются частицами пыли и перестают пропускать загрязнения, затем достигает максимума и начинает уменьшаться вследствие засорения. Поэтому в технических характеристиках воздушных фильтров приводится значение среднего коэффициента очистки пыли.

«Коэффициент фильтрования» (в западной технической литературе beta-rating обозначается буквой β), это отношение частиц, превышающих определенный размер, или диапазон (например, от 0 до 10 мкм), находящихся в нефильтрованной рабочей жидкости до фильтрующего элемента (фильтра), к количеству частиц этого же размера, находящихся в отфильтрованной рабочей жидкости после фильтрующего элемента (фильтра). Каждый фильтр имеет несколько характеристик «коэффициент фильтрования» (в западной литературе βx) для каждого размера частиц, например, 2; 5 и 10 мкм.

«Коэффициент фильтрования» – наиболее широко используемая характеристика фильтра. Однако при сравнении фильтров по величине «коэффициента фильтрования» следует быть осторожным, так как эта относительная величина не отражает реальных условий работы, таких как колебания величины потока и изменения температуры, а также грязеемкости фильтра, стабильности рабочих характеристик фильтра за время службы и др. Тем не менее «коэффициент фильтрования» – эффективный показатель вероятной производительности фильтра и может помочь ориентироваться при выборе фильтра.

Если β=1, значит, загрязнения не задерживаются; β = 200 – фильтр пропускает одну из 200 частиц, а если β < 1 – фильтр пропускает все загрязнения и сам является источником дополнительного загрязнения. На практике такое случается у бракованных или поврежденных фильтров.

Заметим, что существует и характеристика, обратная «коэффициенту фильтрования». Это «коэффициент пропуска», который равен отношению массы загрязнителя, находящегося в отфильтрованной рабочей жидкости после фильтрующего элемента (фильтра), к массе загрязнителя, находящегося в нефильтрованной рабочей жидкости до фильтрующего элемента (фильтра).

Между коэффициентом отсева и коэффициентом фильтрования имеется соотношение (см.  таблицу).

«Перепад давления на фильтрующем элементе (фильт­ре)» – это разность давления на входе и выходе фильтрующего элемента (фильтра), под воздействием которой происходит фильтрование, еще один широко используемый критерий фильтра, отражающий его сопротивление потоку воздуха или жидкости. Различают:

• начальное сопротивление фильтра (фильтрующего элемента): перепад давления на фильтре (фильтрующем элементе) при максимальном расходе топлива двигателем;
• номинальный перепад давления: перепад давления на незагрязненном фильтрующем элементе (фильтре) при номинальном расходе жидкости и заданном значении вязкости;
• максимальный перепад давления: наибольшее значение перепада давления на фильтрующем элементе (фильтре), при котором допускается его эксплуатация;
• разрушающий перепад давления: перепад давления на фильтрующем элементе, вызывающий его остаточную деформацию и (или) нарушение герметичности.

«Грязеемкость фильтрующего элемента» – масса искусственного загрязнителя заданного размерного состава, задержанная незагрязненным фильтрующим элементом за время, прошедшее до достижения максимального перепада давления при номинальном расходе жидкости и заданном значении вязкости.

В «популярной» технической литературе под «грязеемкостью фильтра» («пылеемкостью») подразумевается количество загрязнений (в граммах), которое способен задержать и накопить фильтр за весь срок службы. Этот показатель зависит от многих факторов – типа фильтрующего материала (удельной поглощающей способности фильтрующего материала в г/м²) и его тонкости отсева, конструкции и размеров фильтра и т. д.

Срок службы (ресурс) до замены в часах работы или в километрах пробега – не стандартизованный, но важный экономический критерий работы фильтра. Он зависит от грязеемкости, условий эксплуатации (загрязненности окружающей среды) и т. д. Показатель «срок службы» следует оценивать только в комплексе с другими вышеназванными характеристиками фильтра. Например, фильтр может служить долго, но пропускать много загрязнений – такой фильтр нельзя назвать хорошим.

Заметим, что даже в стандартах существует «разброс» в названиях параметров фильтров, в технической литературе – тем более, мы постарались указать здесь наиболее употребительные и распространенные термины.

Cummins Filtration

Компания Cummins Filtration была основана в 1958 г. как подразделение Cummins, которое производило фильтры в соответствии с высокими требованиями Cummins. С тех пор компания постоянно совершенствует свою продукцию (производимую под брендом Fleetguard) и испытывает ее как в лабораторных условиях, так и в реальных условиях эксплуатации машин и оборудования. В продукции Fleetguard сочетаются новейшие технологии и запатентованные фильтрующие материалы. Компания Cummins Filtration уверена в качестве своей продукции и предлагает ключевым клиентам программу расширенных сервисных интервалов, которая подтверждает ценность оригинальной продукции Fleetguard для бюджета конечного клиента.

Важной составляющей успешного применения продукции Fleetguard является качественный сервис, вот почему компания Cummins Filtration предоставляет право на прямую дистрибуцию своей продукции только профессионалам рынка, которые способны дать необходимые консультации по выбору оптимальной продукции, а также осуществить поддержку клиентов после совершения покупки. Перечень официальных дистрибьюторов Cummins Filtration размещен на сайте компании (cumminsfiltration.com) в разделе «Где купить?».

Более двух десятков лет назад компания Cummins Filtration разработала собственный запатентованный фильтровальный материал StrataPore™. Cummins Filtration первой в мире стала использовать 100%-но синтетический полимерный микроволоконный фильтровальный материал в топливных и масляных фильтрах дизельных двигателей. StrataPore используется и по сей день.

Отличительной особенностью материала StrataPore™ является многослойность. Имея один и тот же материал с различными характеристиками, компания путем комбинирования слоев может добиваться разной тонкости отсева, при этом сохраняя грязеемкость на высоком уровне. При комбинировании слоев не применяется клей или любой другой связующий материал. Слои стыкуются с помощью ультразвуковой сварки. Таким образом, один и тот же материал может обеспечить тонкость отсева в очень широком диапазоне значений: от 50 до 4 мкм, будучи абсолютно нейтральным для топлива. В то же время, являясь полностью синтетическим, StrataPore™ широко применяется в топливных фильтрах-водоотделителях, поскольку со временем не теряет своих свойств, а значит, не уменьшает эффективность отделения воды из топлива, удаляя воду в эмульгированном состоянии.

Однако только один фильтрующий материал не способен решить проблему сепарации воды, поэтому для клиентов, предъявляющих повышенные требования к эффективности водоотделения, компания предлагает многоступенчатые топливные фильтры. Фильтрующий материал, выполняющий роль основного барьера на пути загрязнений, задерживает посторонние частицы, содержащиеся в топливе, а также способствует сбору капель воды из более мелких в более крупные – работает в паре с гидрофобным экраном, способствующим удалению воды, которую не смог задержать основной фильтрующий материал. Подобные конструкции широко применяются при проектировании индивидуальных систем фильтрации у ведущих мировых производителей техники.

Топливный фильтр-водоотделитель Cummins Filtration: 1 – встроенный подкачивающий насос помогает удалить воздух из фильтра после замены; 2 – пробка отверстия для выпуска воздуха; 3 – навинчивающийся фильтр, фильтровальный материал StrataPore™, многослойный, синтетический, задерживает частицы от 10 до 25 мкм; 4 – опционный электроподогреватель 200 Вт/24 В; 5 – отстойник для воды и загрязнений, изготовлен из полимерного материала; 6 – датчик уровня воды; 7 – сливное отверстие; 8 – разъем электроподогревателя; 9 – требуется замена только навинчивающегося фильтра, отстойник со сливным отверстием не заменяется

В 2012 г. компания Cummins Filtration вывела на рынок усовершенствованный фильтрующий материал NanoNet™ из полимерных нановолокон величиной меньше микрона. Наряду с материалом StrataPore™ материал NanoNet™ также является многослойным и полностью синтетическим. Первоначально он использовался только в топливных фильтрах. При фильтрации дизельного топлива материал NanoNet™ задерживает 98,7% всех частиц размером от 2 мкм и более, обеспечивает высокую грязеемкость фильтра наряду с невысоким перепадом давления, задерживает в 7–13 раз больше загрязняющих частиц, чем материалы конкурирующих марок. Основной отличительной особенностью материала является повышенная стойкость к вибрации, которая есть даже на самых современных дизельных двигателях. Являясь негативным фактором, вибрация существенно ухудшает эффективность фильтра. Материал NanoNet™ сводит негативное влияние от вибрации к минимуму, позволяя фильтру сохранять свои характеристики даже в самых жестких условиях эксплуатации. NanoNet™ обеспечивает очень высокую тонкость отсева, позволяющую длительное время работать современным системам подачи топлива Common Rail при давлении свыше 2000 бар.

В 2015 г. Cummins Filtration представила фильтр с материалом NanoNet™, предназначенный для маловязких моторных масел перспективного класса РС-11, который будет введен в 2017 г.

Недавно Cummins Filtration выпустила масляный фильтр для современных высоконагруженных дизельных двигателей нового поколения и современных масел нового состава, в котором фильтрующий элемент выполнен комбинированным – из слоев двух материалов NanoNet™ и StrataPore™, что обеспечивает лучшую в своем классе эффективность (98,7% для частиц размером 4 мкм и более), наибольшую грязеемкость и отличную пропускную способность потока масла, особенно холодного, когда сопротивление фильтра имеет максимальную величину. Материал StrataPore™, имеющий более крупные поры, образует верхний слой и задерживает около 60% всех загрязнений из потока масла, а многослойный материал NanoNet™ с более мелкими порами отфильтровывает оставшиеся 40% загрязнений. У модернизированного фильтра сопротивление потоку меньше, чем у фильтров прежних поколений, в результате снижаются паразитные механические потери в двигателях и улучшается топливная экономичность. К тому же за счет меньшего сопротивления фильтра при холодном пуске масло незамедлительно поступит к трущимся поверхностям деталей двигателя. Данный фильтр может обеспечить увеличение интервалов замены масла.

Специально для тяжелого внедорожного оборудования, работающего в сложных условиях, компанией Cummins Filtration были разработаны воздушные фильтры из нановолоконного материала NanoForce®, обеспечивающие в настоящее время наиболее совершенную защиту двигателя в данной отрасли.

Donaldson Company, Inc.

В начале 2014 г. компания Donaldson Company, Inc. объ­явила о выпуске линейки топливных, воздушных, масляных фильтров и фильтров охлаждающей жидкости Donaldson Blue™, состоящей из более чем 150 моделей. Фильтры предназначены для магистральной и внедорожной техники, работающей в сложных условиях. В топливных фильтрах этой линейки применяется инновационный фильтрующий материал Synteq XP™, который пригоден для двигателей экологического класса Tier 4, а в воздушных фильтрах – уже известный нановолоконный материал Ultra-Web®. Компания заявляет, что воздушные, масляные фильтры и фильтры охлаждающей жидкости Donaldson Blue обладают более высоким ресурсом по сравнению с обычными фильтрами, что позволяет их использовать при увеличенных интервалах ТО машины. В линейку Donaldson Blue также входят инновационные фильтры для систем фильтрации больших объемов топлива перед заправкой в машину (т. н. «искусственная почка»). Комбинированное использование топливных фильтров Donaldson Blue – штатного на машине и фильтра в установке «искусственная почка» повышает качество очистки топлива.

Кроме того, в 2014 г. компания Donaldson открыла собственную лабораторию для исследовательских работ по топливным фильтрам.

В 2016 г. Donaldson пополнила линейку Donaldson Blue™ сменным элементом воздушного фильтра из материала Ultra-Web® и с технологией фильтрации PowerCore®, предназначенным для магистральных грузовых автомобилей. Элемент обладает высокой производительностью при компактных размерах, высокой эффективностью (99,98%) при задержании субмикронных частиц пыли и сажи и малым сопротивлением потоку. В фильтре используется прямоточная траектория воздушного потока, разработанная компанией Donaldson, предусмотрена возможность импульсной очистки фильтрующего элемента путем обратной продувки. Сменный фильтрующий элемент заключен в пластмассовую оболочку, которая составляет единую конструкцию с уплотнением, что обеспечивает жесткость всей конструкции и надежное уплотнение. Как заявляется, срок службы нового фильтра до двух раз превышает ресурс обычного воздушного фильтра.

MANN+HUMMEL Group

Большинство существующих одноступенчатых и двухступенчатых топливных фильтров не могут полностью защитить современные и перспективные дизельные двигатели с системой впрыска Common Rail от попадания вместе с топливом загрязнений и воды. В ближайшей перспективе системы Common Rail будут работать с давлением до 2500 бар, поэтому они предъявляют высокие требования к качеству фильтрации топлива. Кроме того, низкое содержание серы и большое количество присадок в современном дизтопливе приводит к образованию очень мелких стабильных капель воды.

В конце 2015 г. немецкий концерн MANN+HUMMEL представил трехступенчатый фильтр нового типа для дизельного топлива, который, как утверждается, обеспечивает очистку дизельного топлива на высоком уровне даже при больших интервалах обслуживания. На первом этапе высокоэффективный фильтровальный материал из синтетического нетканого материала и специальной целлюлозы (бумаги) MultiGrade улавливает механические частицы загрязнений в топливе, а также задерживает воду. Этот материал обладает высокой грязеемкостью. На втором этапе специальное волокно коагулирует мелкие капли воды (до 10 мкм), прошедшие через первый слой, в более крупные капли. Третью ступень очистки представляет собой т. н. гидрофобное сито, которое окончательно задерживает воду. Отфильтрованная влага попадает в отстойник. По мере заполнения отстойника вода сливается автоматически (достигая определенного уровня), или датчик уровня включает в кабине сигнал о необходимости слить воду вручную.

Эффективность традиционных одноступенчатых систем фильтрации топлива с гидрофобной поверхностью фильтра значительно падает по мере эксплуатации. Как утверждается, новый фильтр MANN+HUMMEL гарантирует 100%-ную эффективность с самого начала работы, удаление из топлива более 93% воды в течение всего межсервисного интервала (к концу срока службы свыше 90%), а срок службы дольше до 30% по сравнению с обычным фильтром из целлюлозы.

Первые модели трехступенчатых топливных фильтров разработаны для легковых автомобилей. В 2017 г. компания планирует выпустить фильтры аналогичной конструкции для грузового коммерческого автотранспорта.

В коммерческих автомобилях остается все меньше места для размещения воздушных фильтров. Компактная компоновка подкапотного пространства, пространство занимают компоненты, обеспечивающие комфортные условия работы водителя и компоненты систем нейтрализации отработавших газов, оставляя все меньше места для воздушного фильтра. И тенденции в развитии конструкций коммерческих автомобилей таковы, что в будущем улучшения в этом вопросе не предвидится. Поэтому в 2016 г. MANN+HUMMEL предложила две инновационные концепции воздушных фильтров EXALIFE и VarioPleat, конструкция которых дает возможность выбирать различные места расположения даже при недостатке места. EXALIFE – воздухоочиститель, предназначенный для установки в узких местах, и в том числе в горизонтальной плоскости.

VarioPleat – фильтрующий элемент с гофрами различной высоты. Конструкторам удалось создать уникальную, нигде в мире не применяющуюся технологию производства, с помощью которой изготавливаются фильтрующие элементы со складками высотой до 300 мм. Возможно изготовление фильтрующих элементов, состоящих из гофр разной высоты. Это позволяет максимально адаптировать воздушный фильтр для размещения в имеющемся пространстве, плавно огибая все выступающие части соседних компонентов, например колесные арки. По сравнению с обычными фильтрами у фильтров VarioPleat намного ниже потери давления.

В 2015 г. MANN+HUMMEL выпустила фильтр системы вентиляции кабины FreciousPlus, задерживающий пыльцу и прочие аллергенные частицы. Значение этой разработки очень велико – в мире сейчас до 20–25% населения страдает от различных форм аллергии. Разработан фильтровальный материал с биофункциональным покрытием полифенол, которое не только задерживает до 98% аллергенов размером до 1,5 мкм, но и предотвращает проникновение спор плесени и бактерий в кабину через вентиляцию. Кроме того, этот биофункциональный слой предотвращает размножение аллергенных бактерий и плесени, колонии которых часто возникают в салонных фильтрах и кондиционерах. Мельчайшие частицы особенно опасны, так как способны проникать глубоко в легкие и далее в кровь через альвеолы, вызывая тяжелые сердечно-сосудистые заболевания. В новом салонном фильтре также имеется дополнительный слой, который задерживает неприятные запахи и токсичные газы: озон, сернистый газ и окислы азота. Слой состоит из активированного угля, произведенного из скорлупы кокосового ореха.