Как устроены автомобильные фильтры: воздушные, масляные и топливные фильтры и фильтрующие материалы

Автор материала: Олег Тимошенко

Воздушный, масляный и топливный фильтры защищают двигатель от абразивных частиц, продуктов износа, воды и отложений. У каждого из них свои требования: воздушный фильтр должен задерживать пыль при минимальном сопротивлении потоку, масляный - очищать масло, выдерживая высокую температуру и агрессивные продукты его разложения, топливный - задерживать мельчайшие частицы и воду, потому что от чистоты топлива зависит ресурс топливной аппаратуры. Ниже рассмотрено, как устроены эти фильтры и из каких материалов их изготавливают.

Воздушные фильтры

Воздушный фильтр задерживает твердые частицы, взвешенные в воздухе, который всасывает двигатель: минеральную пыль, сажу и органические остатки. По данным источника, современные воздушные фильтры достигают эффективности фильтрации около 99,8 % для частиц размером несколько микрометров.

Двигатель внутреннего сгорания потребляет очень много воздуха - по оценке источника, в среднем около 10 м³ на 1 л топлива. Поэтому при высокой эффективности фильтр должен иметь низкое сопротивление потоку и высокую пылеемкость, то есть способность накапливать загрязнения. От этого зависит и интервал между заменами. Воздушный фильтр, как правило, состоит из разборного корпуса и сменного фильтрующего элемента.

Фильтрующие материалы

Для воздушных фильтров преимущественно используют фильтровальную бумагу на основе целлюлозных волокон, пропитанных фенольными, эпоксидными или акриловыми смолами. Пропитка защищает волокна от воды, масла и паров топлива. В современные материалы часто добавляют синтетические волокна, которые повышают эффективность фильтрации и пылеемкость.

Круглые фильтры для легковых автомобилей

Круглые воздушные фильтры с элементом в форме кольца или цилиндра - традиционная конструкция, которую применяли преимущественно на легковых автомобилях с карбюраторными двигателями, где под капотом было достаточно места для большого корпуса. Воздух проходит через такой элемент, как правило, снаружи внутрь, поэтому во время работы двигателя на него действуют силы сжатия. Если элемент высокий или двигатель большого объема потребляет много воздуха, эти силы значительны, поэтому для защиты от деформации применяют усиливающие сетки из металла с антикоррозионным покрытием.

В некоторых круглых фильтрах есть предочиститель - дополнительный слой из нетканого материала. Его устанавливают для работы в условиях особенно сильной запыленности или для увеличения интервала замены. Предочиститель задерживает крупные частицы, поэтому основная фильтрующая перегородка забивается медленнее, а фильтр накапливает больше загрязнений, прежде чем сопротивление потоку достигнет предельного значения.

Панельные фильтры

На современных легковых автомобилях с инжекторными двигателями места под капотом меньше из-за дополнительных систем, например кондиционера. Поэтому здесь применяют панельные (плоские) воздушные фильтры, у которых выгоднее соотношение площади фильтрации и объема корпуса. Они почти полностью вытеснили круглые фильтры. Изготовление панельных фильтров сложнее из-за формы перегородки и потребности в элементах жесткости.

Жесткость панельному фильтру придают специальные клеевые швы, металлические или пластмассовые сетки. Они особенно нужны, когда двигатель большого объема или с турбонаддувом потребляет много воздуха и на элемент действуют значительные изгибающие силы. Опаснее всего это состояние в конце срока службы фильтра: загрязнения забивают поры, сопротивление потоку и перепад давления растут. Характерные признаки - заметное снижение мощности и рост расхода топлива. Поэтому фильтр нужно менять вовремя, учитывая не только пробег, но и условия эксплуатации, в частности запыленность воздуха.

Воздушные фильтры грузовых автомобилей и спецтехники

Дизели грузовиков, дорожной, строительной и сельскохозяйственной техники потребляют значительно больше воздуха, чем двигатели легковых автомобилей, а их годовая наработка в километрах или моточасах в несколько раз больше. Поэтому требования к воздушным фильтрам здесь выше: по данным источника, требуемая эффективность фильтрации достигает 99,8 %, а пылеемкость должна быть очень высокой из-за длинных интервалов замены. Такие фильтры имеют большие размеры, а площадь фильтрующей перегородки, по данным источника, во многих случаях достигает 10 м².

В традиционных конструкциях элементы массивные: прочные металлические крышки, усиливающие трубки и наружные обечайки из сетки, а герметичность в корпусе обеспечивают уплотнения на крышках. Современные элементы часто имеют полиуретановые крышки вместо металлических: при сохранении надежности это упрощает утилизацию отработанного элемента.

Для тяжелой и сельскохозяйственной техники предусмотрен предохранительный (внутренний) элемент - такой же фильтрующий элемент меньшего диаметра, который вставляют внутрь основного. Он дополнительно очищает воздух при сильной запыленности и защищает двигатель, если основной элемент неожиданно повредится.

Масляные фильтры

Система смазки двигателя замкнутая: масло смазывает и охлаждает движущиеся детали, а также вымывает и переносит загрязнения, которые попадают из камеры сгорания или образуются при износе деталей. Эти загрязнения задерживает масляный фильтр. В зависимости от типа двигателя фильтры существенно отличаются и устройством, и принципом действия.

Фильтрующие материалы

Стандартно для масляных фильтров используют фильтровальную бумагу на основе целлюлозных волокон, пропитанных фенольными или эпоксидными смолами, которые защищают материал от высокой температуры и агрессивных химических соединений, присутствующих в масле и образующихся при его разложении. В современных материалах, особенно для синтетических масел, добавляют искусственные волокна или применяют полностью синтетические фильтрующие материалы, потому что нагрузка на перегородку выше.

Навинчиваемые фильтры и сменные элементы

Навинчиваемые неразборные масляные фильтры (spin-on) широко применяют на легковых и грузовых автомобилях. Вместе с тем во многих двигателях, в том числе современных, используют разборный корпус со сменным фильтрующим элементом (картриджем). Преимущество такого решения в том, что утилизировать отработанный элемент проще и менее вредно для окружающей среды, чем целый фильтр. Корпус, как правило, содержит все нужные для работы фильтра клапаны, а также детали, которые фиксируют элемент и обеспечивают его герметичность.

Традиционные элементы имеют прочную конструкцию: металлические крышки и внутренняя трубка из перфорированного листа или навитой ленты обеспечивают высокую прочность на сжатие и устойчивость к перепадам температуры. Перегородку из целлюлозной бумаги часто защищает снаружи оболочка из перфорированной бумаги или металлической сетки: она оберегает углы складок от повреждений и не дает соседним складкам деформироваться и слипаться.

В современных элементах применяют специальные синтетические материалы, которые, по данным источника, лучше очищают масло, имеют меньшее гидравлическое сопротивление и более длительный срок службы. В одном из описанных источником решений на каркас элемента навита пружина квадратного сечения, плотно обернутая фильтрующим материалом, что увеличивает его рабочую площадь, а торцевые крышки устанавливают без клея.

Топливные фильтры

Топливные фильтры задерживают загрязнения бензина или дизельного топлива и защищают прецизионные детали топливной системы от быстрого износа. Пыль, ржавчина со стенок бака, вода и живущие в ней микроорганизмы могут вызвать быстрый износ форсунок, насосов и клапанов регуляторов давления. Поэтому топливную систему оснащают фильтрами, подобранными под требования двигателя, качество топлива и условия эксплуатации.

По данным источника, современные двигатели требуют задерживать частицы размером около 5 мкм с эффективностью более 90 %, поэтому в топливной системе часто устанавливают несколько фильтров. В отличие от масляных, топливные фильтры не имеют перепускного (байпасного) клапана, который пропускал бы топливо мимо забитого элемента: в двигатель должно поступать только чистое топливо. Лучше, чтобы двигатель остановился из-за забитого фильтра, чем работал на неочищенном топливе.

Сменные элементы топливных фильтров

Сменные элементы в разборных корпусах широко применяют на больших двигателях грузовиков и спецтехники. Традиционные элементы, как и масляные, имеют прочную конструкцию: крышки и внутренняя трубка из перфорированного листа или навитой ленты защищают перегородку от деформаций, а наружная оболочка из перфорированной бумаги оберегает складки и разделяет их.

В современных элементах применяют синтетические материалы. По данным источника, они задерживают 96-98 % загрязнений, практически всю воду, поступающую в фильтр, и увеличивают срок службы элемента в 1,5-2 раза.